Энэ хичээлээр бид атомын хүрээнд электронуудын үүрэг, шинж чанарыг судлах болно. Электронууд нь элементүүдийн химийн шинж чанарыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг үндсэн бөөмс юм. Тэдний зан байдал, тархалт, бусад атомын бүрэлдэхүүн хэсгүүдтэй харилцах харилцааг судалснаар бид хими, физикийн үндэс суурийг олж авдаг.
Электронууд нь сөрөг цэнэгтэй субатомын бөөмс бөгөөд үүнийг \(e^-\) гэж тэмдэглэнэ. Эдгээр нь протон, нейтроны зэрэгцээ атомын гурван үндсэн бүрэлдэхүүн хэсгийн нэг юм. Атомын цөмд байдаг протон ба нейтроноос ялгаатай нь электронууд нь электрон бүрхүүл эсвэл энергийн түвшин гэж нэрлэгддэг бүс нутагт цөмийг тойрон эргэдэг. Электроны масс нь протон ба нейтроны массаас хамаагүй бага буюу ойролцоогоор \(\frac{1}{1836}\) протоны масстай тэнцэнэ. Энэхүү өчүүхэн масс нь электронууд атомын массад өчүүхэн хувь нэмэр оруулдаг ч атомын орон зайн асар их эзэлхүүнийг эзлэх боломжийг олгодог.
Электронууд нь атомын энергийн түвшинд буюу бүрхүүлд Паули хасуулах зарчим, Ауфбаугийн зарчим, Хундын дүрмийн дагуу байрладаг. Электронууд хамгийн бага энергийн түвшинг дүүргэх үед хамгийн тогтвортой тохиргоонд хүрдэг. Энэ зохицуулалт нь атомын химийн шинж чанарыг тодорхойлдог бөгөөд үүнд түүний урвалд орох чадвар, бусад атомуудтай холбоо үүсгэх чадварыг тодорхойлдог.
Жишээлбэл, нэг электронтой устөрөгчийн атомын анхны бүрхүүлд энэ электрон байдаг. Найман электронтой хүчилтөрөгчийн эхний давхаргад хоёр электрон, хоёрдугаарт зургаан электрон байна.
Электронууд нь атомуудыг молекул эсвэл нэгдлүүдэд нэгтгэдэг химийн холбоо, харилцан үйлчлэлийг бий болгоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Үндсэндээ гурван төрлийн химийн холбоо байдаг: ион, ковалент, металлын бондууд бүгд электронтой. Ионы холбоонд электронууд нэг атомаас нөгөөд шилжиж, эерэг ба сөрөг ионууд бие биенээ татдаг. Ковалентын холбоо нь атомуудын хооронд электрон хосуудыг хуваахыг хамардаг бол металлын холбоо нь металлын бүтцэд чөлөөтэй шилжих электронуудын нэгдлээс үүсдэг.
Цөмийг тодорхой зам эсвэл тойрог замд тойрон эргэдэг электронуудын тухай ойлголтыг Нильс Бор анх санаачилсан. Гэсэн хэдий ч орчин үеийн квант механик нь тойрог замын тухай ойлголтыг нэвтрүүлж, илүү нарийвчлалтай тайлбарыг өгдөг. Орбиталууд нь электронууд олдох магадлалтай цөмийн эргэн тойрон дахь орон зайн мужууд юм. Бор загварын тодорхойлогдсон тойрог замаас ялгаатай нь квант механик нь электронуудын байрлалыг магадлалын хувьд тодорхойлдог. Гейзенбергийн тодорхойгүй байдлын зарчим нь электроны яг байрлал, хурдыг нэгэн зэрэг тодорхойлох боломжгүй гэдгийг баталж байна.
Электронуудын энэхүү квант зан төлөв нь хамгийн энгийн устөрөгчийн атомаас гадна атомуудын нарийн төвөгтэй бүтцийг ойлгоход маш чухал юм. Том атом дахь электронууд нь янз бүрийн хэлбэр, энергийн түвшин бүхий тойрог замын цогц массивыг эзэлдэг. Эдгээрт s, p, d, f орбиталууд багтдаг бөгөөд тэдгээр нь тус бүр нь электрон барих онцлог хэлбэр, багтаамжтай байдаг.
Валентийн электронууд нь атомын хамгийн гадна талын электронууд юм. Эдгээр нь атомын химийн шинж чанар болон бусад атомуудтай харилцах чадварыг тодорхойлоход чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Валент электронуудын тоо нь s ба p блокуудын үелэх систем дэх элементийн бүлгийн дугаартай тохирч байна. Жишээлбэл, 1-р бүлгийн элементүүд нэг валентийн электронтой бол 18-р бүлгийн элементүүд найман валентийн электронтой (хоёртой гелийээс бусад).
Валентын электронуудын тохиргоо нь нэг бүлгийн элементүүд ижил төстэй химийн шинж чанартай байдаг үелэх системд ажиглагдсан үечлэлийг тайлбарладаг. Учир нь тэдгээр нь ижил тооны валентийн электронтой тул ижил төстэй холболтын шинж чанар, урвалд хүргэдэг.
Электронууд энергийг шингээж, эрчим хүчний өндөр түвшинд үсрэх эсвэл бага энергийн түвшинд буурч, фотон хэлбэрээр энерги ялгаруулж чаддаг. Энэ үйл явц нь бодисын найрлагыг тодорхойлохын тулд ялгарсан гэрлийн спектрийг шинжлэх боломжтой спектроскопийн үзэгдлийн үндэс суурь юм. Энэ шилжилтийн үед ялгарах буюу шингэсэн фотоны энергийг \(E = h\nu\) тэгшитгэлээр тодорхойлно, энд \(E\) нь фотоны энерги, \(h\) нь Планкийн тогтмол, \(\nu\) нь фотоны давтамж юм.
Энэ зарчмыг устөрөгчийн ялгаруулалтын спектрт дүрсэлсэн бөгөөд энэ нь энергийн түвшний хоорондох электронуудын шилжилттэй тохирох хэд хэдэн шугамаас бүрддэг. Шилжилт бүр нь тодорхой долгионы урттай фотоныг ялгаруулж, устөрөгчийн өвөрмөц шугамын спектрийг үүсгэдэг.
Катодын туяа хоолойн туршилт: Энэ бол электрон байгаа эсэхийг харуулсан сонгодог туршилт юм. Катодын туяа хоолойд бага даралттай хийгээр цахилгаан гүйдэл дамжин өнгөрөхөд хүний нүдэнд харагдах туяа үүсдэг. Энэ цацраг нь соронзон болон цахилгаан талбайн нөлөөгөөр хазайсан болохыг олж мэдсэн нь сөрөг цэнэгтэй бөөмс байгааг харуулж байна - хожим электрон гэж тодорхойлсон.
Газрын тосны дусал туршилт: Роберт А.Милликан, Харви Флетчер нарын хийсэн энэхүү туршилт нь нэг электроны цэнэгийг хэмжсэн. Цэнэглэгдсэн хоёр хавтангийн хооронд газрын тосны жижиг дуслууд дүүжлэгдэж байсан бөгөөд цахилгаан талбайн нөлөөн дор тэдний хөдөлгөөн нь дусал тус бүрийн цэнэгийг тооцоолох боломжийг олгосон. Энэхүү туршилт нь энгийн цэнэгийг ойролцоогоор \(1.60 \times 10^{-19}\) кулон болохыг тогтоож, цахилгаан цэнэгийн квантчлалыг тогтоосон.
Энэ хичээлээр бид атомын хүрээнд электронуудын үндсэн талуудыг судалсан. Элементүүдийн тоо томшгүй олон шинж чанар, урвалыг ойлгоход электронууд нь энергийн түвшинд тархалтаас эхлээд химийн холбоо, квант зан төлөвт гүйцэтгэх үүрэг хүртэл маш чухал юм. Электронууд атомын дотор болон бусад атомуудтай хэрхэн харьцдагийг мэдэх нь хими, физикийн өргөн хүрээний үндэс суурийг тавьж, молекулын бүтцээс эхлээд материалын үйл ажиллагаа хүртэлх бүх зүйлийг тайлбарладаг.
