در این درس به بررسی نقش و ویژگی های الکترون ها در بافت اتم می پردازیم. الکترون ها ذرات بنیادی هستند که نقش مهمی در تعیین خواص شیمیایی عناصر دارند. با کنکاش در رفتار، توزیع و تعامل آنها با سایر اجزای اتمی، بینشی در مورد پایه های شیمی و فیزیک به دست می آوریم.
الکترون ها ذرات زیر اتمی با بار منفی هستند که با \(e^-\) نشان داده می شوند. آنها در کنار پروتون ها و نوترون ها یکی از سه جزء اصلی اتم هستند. برخلاف پروتون ها و نوترون ها که در هسته اتم قرار دارند، الکترون ها در مناطقی به نام لایه های الکترونی یا سطوح انرژی به دور هسته می چرخند. جرم یک الکترون به طور قابل توجهی کوچکتر از جرم پروتون ها و نوترون ها است، تقریباً \(\frac{1}{1836}\) th جرم یک پروتون. این جرم کوچک به الکترون ها اجازه می دهد تا حجم وسیعی از فضای یک اتم را با وجود سهم ناچیزشان در جرم اتم اشغال کنند.
الکترون ها در سطوح یا پوسته های انرژی اتم بر اساس اصل طرد پائولی، اصل Aufbau و قانون هاند مرتب شده اند. پایدارترین پیکربندی زمانی حاصل می‌شود که الکترون‌ها ابتدا پایین‌ترین سطوح انرژی را قبل از حرکت به سطوح بالاتر پر کنند. این آرایش خصوصیات شیمیایی یک اتم از جمله واکنش پذیری و توانایی آن برای ایجاد پیوند با اتم های دیگر را تعیین می کند.
به عنوان مثال، اتم هیدروژن که دارای یک الکترون است، این الکترون را در اولین پوسته خود دارد. اکسیژن با هشت الکترون دارای دو الکترون در لایه اول و شش الکترون در لایه دوم است.
الکترون‌ها در تشکیل پیوندهای شیمیایی، فعل و انفعالاتی که اتم‌ها را در مولکول‌ها یا ترکیبات کنار هم نگه می‌دارند، نقش اساسی دارند. اساساً سه نوع پیوند شیمیایی وجود دارد: پیوندهای یونی، کووالانسی و فلزی که همه آنها شامل الکترون هستند. در پیوند یونی، الکترون ها از یک اتم به اتم دیگر منتقل می شوند و در نتیجه یون های مثبت و منفی یکدیگر را جذب می کنند. پیوندهای کووالانسی شامل اشتراک جفت الکترون بین اتم ها است، در حالی که پیوندهای فلزی از ادغام الکترون هایی تشکیل می شوند که آزادانه در سراسر ساختار فلز حرکت می کنند.
مفهوم چرخش الکترون ها به دور هسته در مسیرها یا مدارهای تعریف شده برای اولین بار توسط نیلز بور ارائه شد. با این حال، مکانیک کوانتومی مدرن توصیف دقیق تری ارائه می دهد و مفهوم اوربیتال ها را معرفی می کند. اوربیتال ها مناطقی از فضای اطراف هسته هستند که احتمال وجود الکترون در آنها وجود دارد. برخلاف مدارهای تعریف شده مدل بور، مکانیک کوانتومی موقعیت های الکترون را بر حسب احتمالات توصیف می کند. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ ادعا می کند که تعیین همزمان موقعیت و سرعت دقیق یک الکترون غیرممکن است.
این رفتار کوانتومی الکترون ها برای درک ساختارهای پیچیده اتم ها فراتر از ساده ترین اتم هیدروژن بسیار مهم است. الکترون‌ها در اتم‌های بزرگ‌تر، آرایه پیچیده‌ای از اوربیتال‌ها با اشکال و سطوح انرژی متفاوت را اشغال می‌کنند. اینها شامل اوربیتالهای s، p، d و f هستند که هر کدام دارای شکل و ظرفیت مشخصی برای نگهداری الکترون هستند.
الکترون های ظرفیت الکترون هایی هستند که در بیرونی ترین لایه اتم قرار دارند. آنها نقش مهمی در تعیین خواص شیمیایی یک اتم و توانایی آن در تعامل با اتم های دیگر دارند. تعداد الکترون های ظرفیت مربوط به عدد گروه یک عنصر در جدول تناوبی برای بلوک های s و p است. به عنوان مثال، عناصر گروه 1 دارای یک الکترون ظرفیت هستند، در حالی که عناصر گروه 18 دارای هشت الکترون ظرفیت هستند (به جز هلیوم که دو الکترون دارد).
پیکربندی الکترون های ظرفیت، تناوب مشاهده شده در جدول تناوبی را توضیح می دهد، جایی که عناصر یک گروه رفتارهای شیمیایی مشابهی از خود نشان می دهند. این به این دلیل است که تعداد الکترون های ظرفیت یکسانی دارند که منجر به ویژگی های پیوند و واکنش های مشابه می شود.
الکترون ها می توانند انرژی را جذب کنند و به سطوح انرژی بالاتر بپرند یا به سطوح انرژی پایین تر سقوط کنند و انرژی را به شکل فوتون ساطع کنند. این فرآیند برای پدیده طیف سنجی، که در آن طیف نور ساطع شده را می توان برای تعیین ترکیب یک ماده تجزیه و تحلیل کرد، اساسی است. انرژی فوتون گسیل شده یا جذب شده در طول این انتقال با معادله \(E = h\nu\) به دست می آید که در آن \(E\) انرژی فوتون، \(h\) ثابت پلانک است و \(\nu\) فرکانس فوتون است.
این اصل در طیف انتشار هیدروژن نشان داده شده است که از چندین خط مربوط به انتقال الکترون ها بین سطوح انرژی تشکیل شده است. هر انتقال یک فوتون با طول موج خاصی آزاد می کند و در نتیجه یک طیف خطی منحصر به فرد هیدروژن ایجاد می کند.
آزمایش لوله اشعه کاتدی: این یک آزمایش کلاسیک است که حضور الکترون ها را نشان می دهد. هنگامی که جریان الکتریکی از یک گاز با فشار کم در یک لوله پرتو کاتدی عبور می کند، پرتوی قابل مشاهده برای چشم انسان تولید می شود. مشخص شد که این پرتو توسط میدان های مغناطیسی و الکتریکی منحرف می شود که نشان دهنده وجود ذرات با بار منفی است - که بعداً به عنوان الکترون شناخته شدند.
آزمایش قطره نفت: این آزمایش که توسط رابرت آ. میلیکان و هاروی فلچر انجام شد، بار یک الکترون را اندازه گرفت. قطرات ریز روغن بین دو صفحه باردار معلق شدند و حرکت آنها تحت تأثیر میدان الکتریکی امکان محاسبه بار روی هر قطره را فراهم کرد. این آزمایش بار اولیه را تقریباً \(1.60 \times 10^{-19}\) کولن تعیین کرد و کوانتیزاسیون بار الکتریکی را تعیین کرد.
در این درس، ما جنبه‌های اساسی الکترون‌ها را در زمینه اتم‌ها بررسی کرده‌ایم. از توزیع آنها در سطوح انرژی گرفته تا نقش آنها در پیوندهای شیمیایی و رفتار کوانتومی، الکترون ها برای درک خواص و واکنش های بی شمار عناصر ضروری هستند. دانستن اینکه چگونه الکترون‌ها درون اتم‌ها و با اتم‌های دیگر برهم‌کنش می‌کنند، زمینه‌ای برای زمینه‌های وسیع شیمی و فیزیک فراهم می‌کند و همه چیز را از ساختار مولکول‌ها گرفته تا رفتار مواد را توضیح می‌دهد.
