Katika somo hili, tutachunguza jukumu na sifa za elektroni katika muktadha wa atomi. Elektroni ni chembe za kimsingi ambazo huchukua jukumu muhimu katika kuamua sifa za kemikali za vitu. Kwa kuangazia tabia, usambazaji, na mwingiliano wao na vijenzi vingine vya atomiki, tunapata maarifa kuhusu msingi wa kemia na fizikia.
Elektroni ni chembe ndogo ndogo zenye chaji hasi, inayoashiriwa na \(e^-\) . Ni moja wapo ya sehemu kuu tatu za atomi, pamoja na protoni na neutroni. Tofauti na protoni na neutroni ambazo hukaa kwenye kiini cha atomi, elektroni huzunguka kiini katika maeneo yanayoitwa makombora ya elektroni au viwango vya nishati. Uzito wa elektroni ni mdogo sana kuliko ule wa protoni na neutroni, takriban \(\frac{1}{1836}\) th wingi wa protoni. Misa hii ndogo huruhusu elektroni kuchukua kiasi kikubwa cha nafasi ya atomi licha ya mchango wao mdogo kwa wingi wa atomi.
Elektroni zimepangwa katika viwango vya nishati ya atomi au makombora kwa kufuata kanuni ya kutengwa ya Pauli, kanuni ya Aufbau, na kanuni ya Hund. Usanidi thabiti zaidi hupatikana wakati elektroni hujaza viwango vya chini vya nishati kwanza kabla ya kuhamia viwango vya juu zaidi. Mpangilio huu huamua sifa za kemikali za atomi, ikijumuisha utendakazi wake tena na uwezo wake wa kuunda vifungo na atomi zingine.
Kwa mfano, atomi ya hidrojeni, ambayo ina elektroni moja, ina elektroni hii katika shell yake ya kwanza. Oksijeni, yenye elektroni nane, ina elektroni mbili katika ganda lake la kwanza na sita katika ganda lake la pili.
Elektroni huchukua jukumu muhimu katika uundaji wa vifungo vya kemikali, mwingiliano ambao hushikilia atomi pamoja katika molekuli au misombo. Kimsingi kuna aina tatu za vifungo vya kemikali: vifungo vya ionic, covalent na metali, vyote vinahusisha elektroni. Katika dhamana ya ionic, elektroni huhamishwa kutoka atomi moja hadi nyingine, na kusababisha ions chanya na hasi zinazovutia kila mmoja. Vifungo vya mshikamano vinahusisha ugavi wa jozi za elektroni kati ya atomi, ilhali vifungo vya metali vinaundwa kwa kuunganisha elektroni ambazo ni huru kusonga katika muundo wote wa chuma.
Dhana ya elektroni zinazozunguka kiini katika njia au obiti zilizofafanuliwa ilipendekezwa kwanza na Niels Bohr. Hata hivyo, mechanics ya kisasa ya quantum hutoa maelezo sahihi zaidi, kuanzisha dhana ya orbitals. Orbital ni sehemu za nafasi karibu na kiini ambapo elektroni zinaweza kupatikana. Tofauti na obiti zilizofafanuliwa za mfano wa Bohr, mechanics ya quantum inaelezea nafasi za elektroni kulingana na uwezekano. Kanuni ya kutokuwa na uhakika ya Heisenberg inadai kwamba haiwezekani kuamua kwa wakati mmoja nafasi halisi na kasi ya elektroni.
Tabia hii ya quantum ya elektroni ni muhimu kwa kuelewa miundo changamano ya atomi zaidi ya atomi rahisi zaidi ya hidrojeni. Elektroni katika atomi kubwa huchukua safu changamano ya obiti na maumbo tofauti na viwango vya nishati. Hizi ni pamoja na s, p, d, na f orbitali, kila moja ikiwa na umbo bainifu na uwezo wa kushikilia elektroni.
Elektroni za valence ni elektroni kwenye ganda la nje la atomi. Wanachukua jukumu kubwa katika kuamua mali ya kemikali ya atomi na uwezo wake wa kuingiliana na atomi zingine. Idadi ya elektroni za valence inalingana na nambari ya kikundi cha kipengele katika jedwali la mara kwa mara la vizuizi vya s na p. Kwa mfano, vipengele katika kundi la 1 vina elektroni moja ya valence, wakati wale walio katika kikundi cha 18 wana elektroni nane za valence (isipokuwa heliamu, ambayo ina mbili).
Usanidi wa elektroni za valence hufafanua muda unaozingatiwa katika jedwali la muda, ambapo vipengele katika kundi moja huonyesha tabia sawa za kemikali. Hii ni kwa sababu zina idadi sawa ya elektroni za valence, na kusababisha sifa na athari zinazofanana za kuunganisha.
Elektroni zinaweza kunyonya nishati na kuruka hadi viwango vya juu vya nishati au kushuka hadi viwango vya chini vya nishati, ikitoa nishati katika mfumo wa fotoni. Utaratibu huu ni wa msingi kwa uzushi wa spectroscopy, ambapo wigo wa mwanga unaotolewa unaweza kuchambuliwa ili kubaini muundo wa dutu. Nishati ya fotoni iliyotolewa au kufyonzwa wakati wa mpito huu inatolewa na mlinganyo \(E = h\nu\) , ambapo \(E\) ni nishati ya fotoni, \(h\) ni isiyobadilika ya Planck, na \(\nu\) ni marudio ya fotoni.
Kanuni hii inaonyeshwa katika wigo wa utoaji wa hidrojeni, ambayo ina mistari kadhaa inayolingana na mabadiliko ya elektroni kati ya viwango vya nishati. Kila mpito hutoa fotoni ya urefu maalum wa wimbi, na kusababisha wigo wa mstari wa kipekee kwa hidrojeni.
Jaribio la Cathode Ray Tube: Hili ni jaribio la kawaida linaloonyesha uwepo wa elektroni. Wakati umeme wa sasa unapita kupitia gesi kwa shinikizo la chini katika tube ya cathode ray, boriti inayoonekana kwa macho ya binadamu hutolewa. Boriti hii iligunduliwa kugeuzwa na uga wa sumaku na umeme, na hivyo kupendekeza kuwepo kwa chembe zenye chaji hasi - ambazo baadaye zilitambuliwa kuwa elektroni.
Jaribio la Kudondosha Mafuta: Likiendeshwa na Robert A. Millikan na Harvey Fletcher, jaribio hili lilipima chaji ya elektroni moja. Matone madogo ya mafuta yalisimamishwa kati ya sahani mbili za kushtakiwa, na mwendo wao chini ya ushawishi wa shamba la umeme kuruhusiwa kwa hesabu ya malipo kwenye kila tone. Jaribio hili liliamua malipo ya msingi kuwa takriban \(1.60 \times 10^{-19}\) coulombs, kubainisha ujanibishaji wa chaji ya umeme.
Katika somo hili, tumechunguza vipengele vya msingi vya elektroni katika muktadha wa atomi. Kuanzia usambazaji wao katika viwango vya nishati hadi jukumu lao katika vifungo vya kemikali na tabia ya quantum, elektroni ni muhimu ili kuelewa sifa na athari nyingi za vipengele. Kujua jinsi elektroni huingiliana ndani ya atomi na atomi zingine huweka msingi wa nyanja kubwa za kemia na fizikia, ikielezea kila kitu kutoka kwa muundo wa molekuli hadi tabia ya nyenzo.
