Электроны

Атомы, строительные блоки всей материи, состоят из трех основных типов субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов. В этом подробном объяснении мы исследуем электроны в деталях. Электроны — это увлекательные частицы, которые играют ключевую роль в том, как атомы взаимодействуют друг с другом, образуя все вокруг нас. Они невероятно малы, имеют отрицательный заряд и находятся в пространстве, окружающем ядро атома.

Что такое электроны?

Электрон — это субатомная частица, несущая отрицательный электрический заряд. Этот заряд известен как -1. Чтобы понять это, подумайте о том, как работают магниты. Известно, что противоположные заряды притягиваются друг к другу. Таким образом, электрон с отрицательным зарядом будет притягиваться к чему-то с положительным зарядом, например, к протону.

На изображении выше можно увидеть электроны, движущиеся вокруг большого круга. Этот большой круг представляет часть пространства вокруг ядра атома. Электроны движутся в областях, известных как оболочки электронов или облака. Хотя в ядре вы найдете протоны и нейтроны, электроны находятся вне ядра.

Как ведут себя электроны?

Электроны очень особенные, потому что они не ведут себя как обычные объекты. В классической физике мы можем легко измерять, где находятся объекты и с какой скоростью они движутся. Однако электроны ведут себя в соответствии с правилами квантовой механики, которые довольно отличаются.

Одно из важных правил называется принципом неопределенности Гейзенберга, который утверждает, что мы не можем одновременно знать и положение, и импульс электрона. Вместо этого электроны существуют в облаках или распределениях вероятностей. Это означает, что мы можем только оценить, где, скорее всего, находится электрон, вместо того чтобы точно указывать его местоположение. Чтобы иллюстрировать это, рассмотрим следующее:

В этом примере заштрихованная область представляет регион, где, скорее всего, находится электрон вокруг ядра, но мы не можем сказать с уверенностью, где он находится в любой момент времени. Точно так же, как облако может выглядеть по-другому, если взглянуть на него спустя несколько мгновений, положение электрона всегда меняется.

Энергетические уровни электронов

Электроны в атоме располагаются по энергетическим уровням или оболочкам. Эти энергетические уровни определяют, насколько далеко электрон находится от ядра. Чем ближе энергетический уровень к ядру, тем больше притяжение за счет положительного заряда протона.

Расположение электронов в этих оболочках соответствует определенному порядку, который можно упростить следующим образом:

2, 8, 18, 32...

Это означает, что в первой оболочке может быть до 2 электронов, во второй — до 8 электронов, в третьей — до 18 электронов и так далее. Вот как мы видим эти оболочки:

Ядро находится в центре и окружено различными энергетическими уровнями. На диаграмме выше электроны отмечены как маленькие разноцветные точки на разных орбитах. На самом деле, они не движутся по орбитам как планеты вокруг солнца; это упрощенная модель для лучшего понимания их расположения.

Валентные электроны и химические связи

Электроны, находящиеся на внешнем энергетическом уровне атома, называются валентными электронами. Эти электроны определяют химические свойства атома, включая то, как он связывается с другими атомами для образования молекул.

Если подумать о химических реакциях, то они полностью связаны с тем, как атомы обмениваются или переносят свои валентные электроны. Когда атомы отдают, принимают или обмениваются валентными электронами, они образуют связи, которые могут создавать новые вещества, такие как вода или соль.

H2O = вода: Кислород делится своими электронами с двумя атомами водорода.
NaCl = соль: Натрий передает свой электрон хлору, образуя ионную связь.

На этой диаграмме каждый красный круг представляет атом водорода, а зеленый круг представляет атом кислорода. Они делятся электронами, образуя завершенную и стабильную молекулу воды, H 2 O

Открытие электронов

Открытие электрона было значительным событием в науке. В конце XIX века ученый Дж. Дж. Томсон проводил эксперименты с использованием катодной трубки. В ходе этих экспериментов он наблюдал, что лучи изгибаются в сторону положительно заряженной пластины. Это наблюдение заставило его заключить, что должны существовать отрицательно заряженные частицы, меньшие чем атомы.

Открытие Томсона было важно, потому что оно показало, что атомы не являются неделимыми; они состоят из более мелких частиц. Его работа над электроном проложила путь к нашему современному пониманию атомной структуры.

На визуализации выше вы можете увидеть упрощенную версию эксперимента Томсона. Электроны показаны движущимися через трубку, притягиваясь к положительно заряженной стороне, вызывая отклонение, которое он наблюдал.

Роль электронов в электричестве

Электроны играют ключевую роль в электричестве. Когда мы говорим об электрическом токе, мы говорим о потоке электронов через проводник. Каждый раз, когда вы включаете свет или заряжаете телефон, электроны перемещаются по проводам, создавая энергию.

Чтобы понять это, представьте электроны как автомобили, движущиеся по туннелю. Туннель позволяет автомобилям двигаться по пути, так же как провода позволяют электронуам течь, создавая ток, который питает наши устройства.

На изображении выше вы можете увидеть серию точек, каждая из которых представляет электрон, перемещающийся по проводу, производя электрический ток.

Влияние электронов на современные технологии

Электроны находятся в центре современных технологий. Полупроводники, используемые в электронных устройствах, таких как компьютеры и смартфоны, зависят от свойств электронов для работы.

Полупроводники контролируют поток электронов для обработки информации. Манипулируя количеством проходящих через них электронов, полупроводники могут усиливать сигналы, обрабатывать данные и хранить информацию.

Рассмотрите компьютерный чип памяти. Он хранит данные, контролируя электроны. Различные состояния электронов представляют двоичные данные — либо 1, либо 0. Эта двоичная система является основой всей цифровой технологии.

Заключение

Электроны могут быть крошечными, но их роль во Вселенной огромна. Они необходимы для осуществления химических реакций, которые поддерживают жизнь, потока электричества, который питает технологии, и процессов, которые позволяют атомам связываться и образовывать новые вещества. От построения молекул до работы компьютеров электроны являются неотъемлемой частью нашего мира.

Знакомясь с тем, как работают электроны, мы можем понять их глубокое воздействие на микроскопическом уровне атомов и огромном миром, движимом технологиим вокруг нас.

Комментарии