Elektroni | subatominen hiukkanen
Elektroni on hyvin pieni kappale ainetta. Sen symboli on e− , sen löysi J. J. Thomson vuonna 1897.
Elektroni on subatominen hiukkanen. Jokainen atomi koostuu joistakin elektroneista, jotka ympäröivät atomin ydintä. Elektroni voi olla myös erillään mistä tahansa atomista. Sen uskotaan olevan alkeishiukkanen, koska sitä ei voi hajottaa mihinkään pienempään. Sen sähkövaraus on negatiivinen. Elektroneilla on hyvin vähän massaa (vähän painoa), joten niiden nopeaan liikuttamiseen tarvitaan hyvin vähän energiaa. Ne voivat liikkua lähes valon nopeudella esimerkiksi beetahiukkasina ja sellaisten alkuaineiden sisäisissä elektronikuorissa, joilla on suuri atomiluku.
Elektronit osallistuvat gravitaatio-, sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen. Sähkömagneettinen voima on voimakkain yleisissä tilanteissa. Elektronit hylkivät (työntyvät erilleen) toisiaan, koska niillä on sama sähkövaraus. Protonit vetävät elektroneja puoleensa, koska niillä on vastakkainen sähkövaraus. Elektronilla on sähkökenttä, joka kuvaa näitä voimia. Televisioita, moottoreita, matkapuhelimia ja monia muita asioita käyttävä sähkö on itse asiassa monia elektroneja, jotka liikkuvat johtojen tai muiden johtimien läpi.
Kuvaus
Elektronien sähkövaraus on pienin. Tämä sähkövaraus on yhtä suuri kuin protonin varaus, mutta sen merkki on päinvastainen. Tästä syystä elektronit vetävät puoleensa atomiytimissä olevia protoneja. Tämä vetovoima saa elektronit ytimen lähellä muodostamaan atomin. Elektronin massa on noin 1/1836 kertaa protonin massa.
Yksi tapa ajatella elektronien sijaintia atomissa on kuvitella, että ne kiertävät atomissa kiinteillä etäisyyksillä ytimestä. Tällä tavoin atomin elektronit elävät useissa elektronikuorissa, jotka ympäröivät keskeistä ydintä. Kullekin elektronikuorelle annetaan numero 1, 2, 3 ja niin edelleen, alkaen siitä kuoresta, joka on lähimpänä ydintä (sisin kuori). Kullekin kuorelle mahtuu tietty enimmäismäärä elektroneja. Elektronien jakautumista eri kuoriin kutsutaan elektronijärjestykseksi (tai elektronimuodoksi tai -muodoksi). Elektronijärjestys voidaan esittää numeroimalla tai elektronidiagrammilla. (Toinen tapa ajatella elektronien sijaintia on käyttää kvanttimekaniikkaa niiden atomiorbitaalien laskemiseen).
Elektroni kuuluu eräänlaisiin subatomisiin hiukkasiin, joita kutsutaan leptoneiksi. Elektronilla on negatiivinen sähkövaraus. Elektronilla on toinenkin ominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Sen spin on 1/2, mikä tekee siitä fermionin.
Useimmat elektronit sijaitsevat atomeissa, mutta toiset liikkuvat itsenäisesti aineessa tai yhdessä katodisäteinä tyhjiössä. Joissakin suprajohteissa elektronit liikkuvat pareittain. Kun elektronit kulkevat, tätä virtausta kutsutaan sähköksi tai sähkövirraksi.
Kohdetta voidaan kuvata "negatiivisesti varautuneeksi", jos kohteessa on enemmän elektroneja kuin protoneja, tai "positiivisesti varautuneeksi", jos kohteessa on enemmän protoneja kuin elektroneja. Elektronit voivat siirtyä esineestä toiseen, kun niitä kosketetaan. Ne voivat vetää puoleensa toista esinettä, jolla on vastakkainen varaus, tai ne voivat hylkiä toisiaan, kun molemmilla on sama varaus. Kun esine "maadoitetaan", varautuneen esineen elektronit siirtyvät maahan, jolloin esineestä tulee neutraali. Näin toimivat ukkosenjohdattimet.
Kemialliset reaktiot
Atomin ympärillä olevissa kuorissa olevat elektronit ovat kemiallisten reaktioiden perusta. Täydelliset ulommat kuoret, joissa on eniten elektroneja, ovat vähemmän reaktiivisia. Ulkokuoret, joissa on vähemmän kuin maksimielektronit, ovat reaktiivisia. Atomien elektronien lukumäärä on kemiallisen jaksollisen järjestelmän perusta.
Mittaus
Sähkövaraus voidaan mitata suoraan sähkömittariksi kutsutulla laitteella. Sähkövirta voidaan mitata suoraan galvanometrillä. Galvanometrin antama mittaustulos on erilainen kuin sähkömittarin antama mittaustulos. Nykyään laboratoriolaitteilla pystytään eristämään ja havainnoimaan yksittäisiä elektroneja.
Elektronin 'näkeminen'
Laboratorio-olosuhteissa yksittäisten elektronien vuorovaikutusta voidaan tarkkailla hiukkasilmaisimilla, joiden avulla voidaan mitata tiettyjä ominaisuuksia, kuten energiaa, spiniä ja varausta. Eräässä tapauksessa Penningin loukkua käytettiin pitämään yksittäinen elektroni 10 kuukauden ajan. Elektronin magneettinen momentti mitattiin yhdentoista numeron tarkkuudella, mikä oli vuonna 1980 suurempi tarkkuus kuin minkään muun fysikaalisen vakion tarkkuus.
Lundin yliopistossa Ruotsissa työskentelevä työryhmä otti ensimmäiset videokuvat elektronin energiajakaumasta helmikuussa 2008. Tutkijat käyttivät äärimmäisen lyhyitä valon välähdyksiä, attosekuntipulsseja, joiden avulla elektronin liikettä voitiin tarkkailla ensimmäistä kertaa. Elektronien jakautuminen kiinteissä materiaaleissa voidaan myös visualisoida.
Antihiukkanen
Elektronin antihiukkasta kutsutaan positroniksi. Se on identtinen elektronin kanssa, mutta kantaa vastakkaisen merkin sähkö- ja muita varauksia. Kun elektroni törmää positroniin, ne voivat sirpaloitua toisistaan tai tuhoutua kokonaan, jolloin syntyy pari (tai useampia) gammafotonia.
Niels Bohrin atomimalli. Ytimen ympärillä on kolme elektronikuorta, ja elektroni siirtyy toiselta tasolta ensimmäiselle ja vapauttaa fotonin.
Löytöhistoria
Elektronien vaikutukset tunnettiin jo kauan ennen kuin ne voitiin selittää. Antiikin kreikkalaiset tiesivät, että meripihkan hankaaminen turkkia vasten houkutteli pieniä esineitä. Nyt tiedämme, että hankaus irrottaa elektroneja, mikä antaa meripihkalle sähkövarauksen. Monet fyysikot työskentelivät elektronin parissa. J.J. Thomson todisti sen olemassaolon vuonna 1897, mutta toinen mies antoi sille nimen "elektroni".
Elektronipilvimalli
Mallin mukaan elektronit ovat määrittelemättömässä asemassa atomin ytimen ympärillä olevassa diffuusissa pilvessä.
Epävarmuusperiaate tarkoittaa, että ihminen ei voi tietää elektronin sijaintia ja energiatasoa samanaikaisesti. Nämä potentiaalitilat muodostavat pilven atomin ympärille. Yhden atomin elektronien potentiaalitilat muodostavat yhden yhtenäisen pilven.
Aiheeseen liittyvät sivut
- Positroni
- Proton
- Neutroni
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on elektroni?
V: Elektroni on hyvin pieni aineen kappale, ja se on subatominen hiukkanen. Sitä ei voi pilkkoa mihinkään pienempään, ja sillä on negatiivinen sähkövaraus.
K: Kuka löysi elektronin?
V: Elektronin löysi J.J. Thomson vuonna 1897.
K: Kuinka paljon elektronilla on massaa?
V: Elektronilla on hyvin vähän massaa eli painoa, joten sen nopeaan liikuttamiseen tarvitaan hyvin vähän energiaa.
K: Millaisiin vuorovaikutuksiin elektronit osallistuvat?
V: Elektronit osallistuvat painovoima-, sähkömagneettiseen ja heikkoon vuorovaikutukseen. Sähkömagneettinen voima on voimakkain yleisissä tilanteissa.
K: Miten elektronit ovat vuorovaikutuksessa keskenään?
V: Elektronit hylkivät toisiaan, koska niillä on sama sähkövaraus, mutta ne vetävät puoleensa protoneja, koska niillä on vastakkaiset sähkövaraukset.
K: Mikä antaa virtaa televisioille, moottoreille, matkapuhelimille ja monille muille asioille?
V: Sähkö, joka antaa näille laitteille virtaa, on itse asiassa monia elektroneja, jotka liikkuvat johtojen tai muiden johtimien läpi.
