Електрон

Из Википедије, слободне енциклопедије
Електрон
Hydrogen atom electron orbitals

Првих неколико електронских орбитала атома водоника
показани су пресеци густине вероватноће
Класификација
Елементарна честица
Фермион
Лептон
Прва генерација
Електрон
Својства
Маса: 9.11 × 10−31 kg
11836 amu
Наелектрисање: −1.6 × 10−19C
Спин: ½
Color Charge: none
Интеракција: Гравитација,
Електромагнетна интеракција,
Слаба интеракција

Електрон (такође познат као негатрон, обично се означава као e−) је субатомска честица негативног елементарног набоја. У атому електрони окружују језгро састављено од протона и неутрона у електронској конфигурацији.[1][2] Реч електрон потиче од грчке речи ηλεκτρον, што значки ћилибар.

Електрон не поседује познате компоненте или субструктуру; другим речима, опште је мишљење да је електрон елементарна честица.[3] Електрон има масу која је приближно 1/1836 масе протона.[4] Спин (Интринзички момент импулса) електорна је полу-целобројна вредност у јединицама ħ, што значи да се радио о фермиону. Античестица електрона је позитрон; позитрон је идентичан електрону, изузев што има електрични и остале набоје другог знака Када се електрон судари са позитроном, обе честице могу у потпуности да се анихилирају, произвевши гама зрачење фотона. Електрони, који припадају првој генерацији породице честица лептона,[5] учествују у гравитационим, електромагнетним и слабим интеракцијама.[6] Електрони, као сва материја поседују квантномеханичка својства и честица и таласа, тако да могу да се сударају са другим честицама и могу да буду дифраковани попут светлости. Међутим, ова дуалност се најбоље демонстрира у експериментима са електронима, због њихове мале масе. Како је електрон фермион, два електрона не могу да заузимају исто квантно стање, у складу са Паулијевим принципом искључења.[5]

Концепт недељиве количине електричног набоја је 1838. развио британски природни филозоф Ричард Ламинг, како би теоријски објаснио хемијска својства атома;[7] име електрон је за овај набој 1894. увео ирски физичар Џорџ Џонстон Стоуни. Електрон је као честицу идентификовао Џ. Џ. Томсон и његов тим британских физичара 1897.[8][9][10]

Електрони играју кључну улогу у многим физичким феноменима, као што су електрицитет, магнетизам, и топлотна проводност. Електрон који се налази у стању кретања релативно на посматрача генерише магнетно поље, и одбијају га спољашња магнетна поља. Када електрон убрзава, он може да апсорбује или зрачи енергију у виду фотона. Електрони, заједно са језгром атома, начињеним од протона и неутрона, чине атоме. Међутим, електрони доприносе укупној маси атома са мање од 0,06%. Привлачна Кулонова сила између електрона и протона узрокује да се електрони везују у атоме. Размена или дељење електрона између два или више атома је главни узрок настанка хемијских веза[11]

По теорији, већина електорна у универзуму је настало током Великог праска, али електрони могу да настану и кроз бета распад радиоактивних изотопа и у високоенергетским сударима, на пример када космички зраци уђуу атмосферу. Електрони могу бити уништени у поступку анихилације са позитронима и могу бити апсорбовани током звездане нуклеосинтезе. Лабораторијски инструменти омогућавају задржавање и посматрање појединачних електрона, као и електронске плазме, док посебни телескопи могу да детектују електронску плазму у спољашњем свемиру. Електрони имају бројне примене, укључујући заваривање, катодне цеви, електронске микроскопе, радиациону терапију, ласере, и акцелераторе честица.

Електрони у универзуму[уреди]

Верује се да број електрона у познатом универзуму износи 1078.

Историја[уреди]

Атомска теорија[уреди]

Три концентрична круга око језгра, са електроном који прелази са другог на први круг и отпушта фотон
Боров модел атома, приказује стања електрона са енергијом квантизованом бројем n. Електрон који прелази у нижу орбиту емитује фотон једнак разлици енергија између две орбите.

До 1914, експерименти физичара Ернеста Радерфорда, Хенрија Мозлија, Џејмса Франка и Густава Херца су у великој мери успоставили структуру атома као чврстог језгра позитивног наелектрисања, које окружују електрони мање масе.[12] 1913, дански физичар Нилс Бор је изнео постулат да се електрони налазе у квантизованим енергијским стањима, а да је енергија одређена моментом инпулса орбите електрона око језгра. Електрони могу да прелазе из једног у друго стање, или орбиту, тако што емитују или апсорбују фотоне одговарајућих фреквенција. Помоћу ових квантизованих орбита, Бор је тачно објаснио спектралне линије водониковог атома.[13] Међутим, Боров модел није узео у обзир релативне интензитете спектралних линија и није успешно описао спектре комплекснијих атома.[12]

Хемијске везе између атома је објаснио Гилберт Њутн Луис, који је 1916. изнео идеју да ковалентну везу између ва атома одржава пар електрона коју та два атома деле.[14] Касније, 1923, су Валтер Хајтлер и Фриц Лондон дали пуно објашњење формирања хемијских веза помоћу парова електрона у контексту квантне механике.[15] 1919, амерички хемичар Ирвинг Лангмјур је разрадио Луисов статички модел атома и изнео идеју да су сви електрони дистрибуирани у сукцесивним „концентричним (готово) сферичним љускама, једнаких дебљина“.[16] Ове љуске су по моделу биле подељене у више ћелија од којих је свака садржавала по један пар електрона. Овим моделом је Лангмјур успео да објасни хемијска својства свих елемената у периодном систему елемената,[15] за које се знало да се у великој мери понављају по периодичном закону.[17]

1924, аустријски физичар Волфганг Паули је уочио да би љусколика структура атома могла да буде објашњена скупом од четири параметра која дефинишу свако квантно енергетско стање, све доко се у сваком стању налази највише један електрон. (Ово ограничење да само један електрон може да се налази у једном квантно енергетском стању је постао познат као Паулијев принцип искључења.)[18] Физички механизам за објашњавање четвртог параметра, који је имао две могуће вредности, су дали холандски физичари Самуел Гоудсмит и Џорџ Уленбек. 1925. су Гоудсмит и Уленбек изнели идеју да електрон, осим што има момент импулса орбите, поседује и интринзички момент импулса и магнетни диполни момент.[12][19] Овај интринзички момент импулса је постао познат као спин, и објашњава раније мистериозно цепање спектралних линија уочено на спектрографу високе резолуције; овај феномен је познат као цепање фине структуре.[20]

Карактеристике[уреди]

Класификација[уреди]

Табела са четири врсте и четири колоне, чија свака ћелија садржи идентификатор честице
Стандардни модел елементарних члестица. Електрон је у доњем левом углу.

По Стандардном моделу физике честица, електрони припадају групи субатомских честица које се називају лептонима, за које се верује да су фундаменталне или елементарне честице. Електрони имају најмању масу од било којих наелектрисаних лептона (или наелектрисаних честица било ког типа), и припадају првој генерацији фундаменталних честица.[21] Друга и трећа генерација садрже наелектрисане лептоне, муон и тау, који су идентични електрону по наелектрисању, спину и интеракцијама, али имају већу масу. Лептони се разликују од осталих основних градивних елемената материје, кваркова, по томе што не учествују у јакој интеракцији. Сви чланови групе лептона су фермиони, јер сви имају полу-непаран целобројан спин; електрон има спин ½.[22]

Фундаментална својства[уреди]

Маса мировања електрона је приближно 9,109×10−31 килограм,[23] или 5,489×10−4 јединица атомске масе. На основу Ајнштајновог принципа еквиваленције масе и енергије, ова маса одговара енергији мировања од 0,511 MeV. Однос између масе протона и масе електрона је око 1836.[4][24] Астрономска мерења су показала да однос масе протона и електрона има исту вредност током најмање једне половине старости универзума, као што је и предвиђено Стандардним моделом.[25]

Електрони имају електрични набој од −1,602×10−19 кулона,[23] што се користи као стандардна јединица наелектрисања за субатомске честице. У оквиру граница експерименталне прецизности, наелектрисање електрона је идентично наелектрисању протона, али има супротан знак.[26] Како се симбол e користи за елементарно наелектрисање, електрон се обично означава са e
, где минус означава негативно наелектрисање. Позитрон се означава са e+
јер има иста својства као и електрон, али са позитивним наелектрисањем.[22][23]

Електрон има спин или интринзички момент импулса једнак ½.[23] Ово својство се обично истиче навођењем електрона као spin-½ честице.[22] За такве честице, магнитуда спина је 32 ħ. Ова магнитуда се добија из квантног броја спина као

\begin{alignat}{2}
 S & = \sqrt{s(s + 1)} \cdot \frac{h}{2\pi} \\
   & = \frac{\sqrt{3}}{2} \hbar \\
\end{alignat}

за квантни број s = ½.[27] док резултат мерења пројекције спина дуж било које осе може бити само ± ħ2. Осим спина, електрон има интринзички магнетни момент дуж своје осе спина.[23] Он је приближно једнак једном Боровом магнетону,[28] [a] што је физичка константа једнака 9,27400915(23)×10−24 џула по тесли.[23] Оријентација спина у односу на момент електрона дефинише својство елементарних честица познато као хеличност.[29]

Напомене[уреди]

  1. ^
    \textstyle\mu_{\mathrm{B}}=\frac{e\hbar}{2m_{\mathrm{e}}}.

Референце[уреди]

  1. ^ Peter Atkins, Julio de Paula (2001). Physical Chemistry (7th edition ed.). W. H. Freeman. ISBN 0716735393. 
  2. ^ Donald A. McQuarrie, John D. Simon (1997). Physical Chemistry: A Molecular Approach (1st edition ed.). University Science Books. ISBN 0935702997. 
  3. ^ Eichten, E.J.; Peskin, M.E.; Peskin, M. (1983). „New Tests for Quark and Lepton Substructure“. Physical Review Letters 50 (11): 811-814. Bibcode 1983PhRvL..50..811E. DOI:10.1103/PhysRevLett.50.811. 
  4. ^ а б „CODATA value: proton-electron mass ratio“. 2006 CODATA recommended values. National Institute of Standards and Technology Приступљено 18. 7. 2009.. 
  5. ^ а б Curtis, L.J. (2003). Atomic Structure and Lifetimes: A Conceptual Approach. Cambridge University Press. стр. 74. ISBN 0-521-53635-9. 
  6. ^ Anastopoulos, C. (2008). Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics. Princeton University Press. стр. 236-237. ISBN 0-691-13512-6. 
  7. ^ Arabatzis, T. (2006). Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities. University of Chicago Press. стр. 70-74. ISBN 0-226-02421-0. 
  8. ^ Thomson, J.J. (1897). „Cathode Rays“. Philosophical Magazine 44: 293. 
  9. ^ Dahl 1997
  10. ^ Wilson, R. (1997). Astronomy Through the Ages: The Story of the Human Attempt to Understand the Universe. CRC Press. стр. 138. ISBN 0-7484-0748-0. 
  11. ^ Pauling, L.C. (1960). The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry (3rd ed.). Cornell University Press. стр. 4-10. ISBN 0-8014-0333-2. 
  12. ^ а б в Smirnov, B.M. (2003). Physics of Atoms and Ions. Springer. стр. 14-21. ISBN 0-387-95550-X. 
  13. ^ Bohr, N. (1922). „Nobel Lecture: The Structure of the Atom“. The Nobel Foundation Приступљено 3. 12. 2008.. 
  14. ^ Lewis, G.N. (1916). „The Atom and the Molecule“. Journal of the American Chemical Society 38 (4): 762-786. DOI:10.1021/ja02261a002. 
  15. ^ а б Arabatzis, T.; Gavroglu, K. (1997). „The chemists' electron“. European Journal of Physics 18 (3): 150-163. Bibcode 1997EJPh...18..150A. DOI:10.1088/0143-0807/18/3/005. 
  16. ^ Langmuir, I. (1919). „The Arrangement of Electrons in Atoms and Molecules“. Journal of the American Chemical Society 41 (6): 868-934. DOI:10.1021/ja02227a002. 
  17. ^ Scerri, E.R. (2007). The Periodic Table. Oxford University Press. стр. 205-226. ISBN 0-19-530573-6. 
  18. ^ Massimi, M. (2005). Pauli's Exclusion Principle, The Origin and Validation of a Scientific Principle. Cambridge University Press. стр. 7-8. ISBN 0-521-83911-4. 
  19. ^ Uhlenbeck, G.E.; Goudsmith, S. (1925). „Ersetzung der Hypothese vom unmechanischen Zwang durch eine Forderung bezüglich des inneren Verhaltens jedes einzelnen Elektrons“. Die Naturwissenschaften 13 (47): 953-. Bibcode 1925NW.....13..953E. DOI:10.1007/BF01558878. 
  20. ^ Pauli, W. (1923). „Über die Gesetzmäßigkeiten des anomalen Zeemaneffektes“. Zeitschrift für Physik 16 (1): 155-164. Bibcode 1923ZPhy...16..155P. DOI:10.1007/BF01327386. 
  21. ^ Frampton, P.H.; Hung, P.Q.; Sher, Marc (2000). „Quarks and Leptons Beyond the Third Generation“. Physics Reports 330 (5–6): 263-348. arXiv:hep-ph/9903387. Bibcode 2000PhR...330..263F. DOI:10.1016/S0370-1573(99)00095-2. 
  22. ^ а б в Raith, W.; Mulvey, T. (2001). Constituents of Matter: Atoms, Molecules, Nuclei and Particles. CRC Press. стр. 777-781. ISBN 0-8493-1202-7. 
  23. ^ а б в г д ђ Оригинални извор за CODATA је Mohr, P.J.; Taylor, B.N.; Newell, D.B. (2006). „CODATA recommended values of the fundamental physical constants“. Reviews of Modern Physics 80 (2): 633-730. Bibcode 2008RvMP...80..633M. DOI:10.1103/RevModPhys.80.633. 
    индивидуалне физичке константе из CODATA су доступне на: „The NIST Reference on Constants, Units and Uncertainty“. National Institute of Standards and Technology Приступљено 15. 1. 2009.. 
  24. ^ Zombeck, M.V. (2007). Handbook of Space Astronomy and Astrophysics (3rd ed.). Cambridge University Press. стр. 14. ISBN 0-521-78242-2. 
  25. ^ Murphy, M.T.; et al. (2008). „Strong Limit on a Variable Proton-to-Electron Mass Ratio from Molecules in the Distant Universe“. Science 320 (5883): 1611-1613. Bibcode 2008Sci...320.1611M. DOI:10.1126/science.1156352. PMID 18566280. 
  26. ^ Zorn, J.C.; Chamberlain, G.E.; Hughes, V.W. (1963). „Experimental Limits for the Electron-Proton Charge Difference and for the Charge of the Neutron“. Physical Review 129 (6): 2566-2576. Bibcode 1963PhRv..129.2566Z. DOI:10.1103/PhysRev.129.2566. 
  27. ^ Gupta, M.C. (2001). Atomic and Molecular Spectroscopy. New Age Publishers. стр. 81. ISBN 81-224-1300-5. 
  28. ^ Odom, B.; et al. (2006). „New Measurement of the Electron Magnetic Moment Using a One-Electron Quantum Cyclotron“. Physical Review Letters 97 (3): 030801. Bibcode 2006PhRvL..97c0801O. DOI:10.1103/PhysRevLett.97.030801. PMID 16907490. 
  29. ^ Anastopoulos, C. (2008). Particle Or Wave: The Evolution of the Concept of Matter in Modern Physics. Princeton University Press. стр. 261-262. ISBN 0-691-13512-6. 

Литература[уреди]

Спољашње везе[уреди]

Викиостава
Викимедијина остава има још мултимедијалних датотека везаних за: Електрон