تصنيف الإلكترونات

الإلكترون عبارة عن أحد الجسيمات تحت النووية، ويطلق عليه أيضا اسم ليبتون والذي يعتبر جسيما أساسيا (أي لا يمكن تكسيره للحصول على جسيمات أصغر).

وكلمة جسيم قد تكون محيرة عند استخدامها لدرجة ما، نظرا لأن ميكانيكا الكم أظهرت أن الإلكترون يسلك أيضا سلوك الموجات، أي أن له طبيعة مزدوجة، مثل ما يحدث في تجربة الانشقاق المزدوج أو بمعنى آخر يعتبر الإلكترون جسيم ذو طبيعة موجية.

خواص وسلوك الإلكترون

ترجع كلمة إلكترون غالبا إلى نيجاترون( مشحون بشحنة كهربية سالبة)مقدارها −1.6 × 10−19C وكتلة 9.11 × 10−31 كجم (0.511 MeV) والذي يساوي تقريبا 1\1836 من كتلة البروتون. ويتم التعبير عن ذلك بالرمز e−. وقد قام كارل دي أندرسون باستخدام نفس الكلمة كتعبير عن نيجاترون وبوزيترون, والبوزيترون له نفس الكتلة ونفس الشحنة ولكن بقيمة موجبة.

وتعتبر حركة الإلكترون حول النواة من الموضوعات التي لا يزال فيها جدال حاد. فلا يمكن اعتبار حركة الإلكترون كأي نوع من الحركات في علم الفيزياء نظرا لأن هذه الحركة ليست دائما موجودة, كما لو أن الإلكترون يختفي في بعض الأوقات أثناء دورانه حول النواة. وفي الوقت الحالي لا يمكن التنبؤ بمكان وسرعة الإلكترون في نفس الوقت. وقد تم عرض هذا الفرض عن طريق مبدأ اللايقين هايزنبرج والذي يتم تطبيقه على الجسيمات التي لها طبيعة تماثل طبيعة الإلكترون, كما يمكن التعبير بصورة أخرى عن ذلك, كلما زادت دقة معرفة مكان الإلكترون كلما قلت دقة معرفة سرعته والعكس صحيح .

الإلكترون له دوران يساوى 1 / 2, والذي يثبت أنه فيرميون, أي أنه جسيم يتبع إحصائيات فيرمى ديراك.

وبينما توجد معظم الإلكترونات في الذرة, فإنه قد توجد بعض الإلكترونات التي تتحرك بمفردها في المادة, أو في شكل شعاع إلكتروني في الفراغ. فتتحرك الإلكترونات في الموصلات الفائقة على هيئة “أزواج كوبر” والتي تتزاوج أثناء حركتها بقرب حواف المادة عن طريق شبكة اهتزازية فيما يعرف بالفونون.

عندما تتحرك الإلكترونات, بعيدا عن النواة, في شكل شبكي فهذا يعرف بالكهرباء أو التيار الكهربائي.

على أن الكهرباء الساكنة, لا تعتبر سريانا للإلكترونات. ولكنها ترجع لأي جسم به عدد أقل أو أكبر من عدد الإلكترونات اللازم لعمل اتزان للشحنة الموجبة الموجودة في النواة. وعندما تكون الإلكترونات أكثر يكون الجسم سالب الشحنة, بينما يكون موجب الشحنة في حالة أن الإلكترونات أقل. ويكون الجسم متعادل الشحنة حينما يكون عدد الإلكترونات مساو لعدد البرتونات.

يمكن للإلكترون والبوزيترون أن يقضيا على بعضهما البعض لتكوين فوتون. وبالعكس فإن الفوتون الذي له طاقة عالية يمكن أن يتحول إلى إلكترون وبوزيترون بعملية يطلق عليها الإنتاج الزوجي.

الإلكترون جسيم أولي أي أنه لا يوجد له تركيب تفصيلي (لم تجد أي من التجارب العلمية حتى الآن أي تركيب تفصيلي له). وعلى هذا فإنه يوصف على أنه شبيه بالنقطة أي لا يوجد له حيز مكاني. وعند النظر بقرب أكثر للإلكترون فيمكن ملاحظة أن خواصه (الشحنة والكتلة) تتغير. وهذا يحدث بصفة عامة لكل الجسيمات الأولية عند اقترابها من بعضها البعض في الفراغ, وعلى هذا فإن الخواص التي نشاهدها من بعيد تكون محصلة التأثيرات الحادثة في الفراغ.

يوجد ثابت فيزيائي يسمى نصف قطر الإلكترون التقليدي وقيمته 2.8179 × 10−15 م وقد تم الاستدلال على هذه القيمة من شحنة الإلكترون وهذا تم عن طريق النظرية التقليدية للديناميكا الحرارية وبدون وجود نظريات ميكانيكا الكم (أي أنه تصور قديم ولكنه مع ذلك لايزال يصلح للاستخدام في الحسابات).

تقترب سرعة الإلكترون في الفراغ من سرعة الضوء في الفراغ ولكن لا تصل إليها. وهذا راجع للنسبية الخاصة. وتأثير النسبية الخاصة مبني على كمية تعرف بجاما أو عامل لورينتز. وتكون جاما عبارة عن معادلة مبنية على سرعة الجسيم v وسرعة الضوء c وهي كالتالي:

الإلكترون في الكون

من المعروف أن عدد الإلكترونات الموجودة في الكون المعروف هو على الأقل 1079. وهذا الرقم مبني على أساس واحد إلكترون في المتر المكعب من الفضاء.

وبناء على نصف قطر الإلكترون التقليدي وبفروض تغليف الأجسام الكروية فإنه يمكن حساب كمية الإلكترونات التي يمكن أن تملأ الفراغ تقريبا 10130. على أن هذا الرقم أقل بكثير من نصف قطر الإلكترون التقليدي

الإلكترون تاريخيا

تم اقتراح الإلكترون كوحدة للشحنة في الكيمياء الإلكترونية بواسطة جى جونستون ستوني في عام 1874 م وفي عام 1894 م, قام هو باختراع الكلمة. واكتشاف أن الإلكترون هو جسيم تحت ذري تم في عام 1897 م بواسطة طومسون في معمل كافينديش, بينما كان يدرس أشعة الكاثود. وبنتائج تجارب جيمس كليرك ماكسويل, واكتشاف أشعة إكس فقد استنتج وجود أشعة الكاثود وأنها جسيمات سالبة الشحنة وسماها كوربوسكل. وقد نشر اكتشافه عام 1897 م.

وينص القانون الدوري أن الخواص الكيميائية للعناصر تكرر نفسها دوريا بشكل كبير وقد كان ذلك أساس الجدول الدوري للعناصر. وقد تم تفسير الجدول مبدئيا عن طريق الكتلة الذرية للعناصر. وعموما فإن الانحرافات التي كانت موجودة في الجدول الدوري تم تفسيرها لاحقا. في عام 1913 قام هنري موزلي بتقديم العدد الذري وقد فسر ذلك القانون الدوري عن طريق عدد البروتونات الموجودة في كل عنصر. وفي نفس العام قام نيلز بور بتوضيح أن الإلكترونات هي الأساس الفعلي للجدول. وفي عام 1916 م, قام جيلبرت نيوتن لويس وإيرفنج لانجمير بتوضيح الترابط الكيميائي للعناصر عن طريق تفاعل الإلكترونات .