الإلكترون وخصائصه - Electron

ما هو الإلكترون؟

الإلكترون: هو جسيم دون ذري (أصغر من الذرة) يحمل وحدة واحدة من الكهرباء السالبة. تتكون كل المواد من ذرات تحتوي بدورها على ثلاثة جسيمات صغيرة جداً وهي البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. من بين هؤلاء الثلاثة، يُعتقد أنّ الإلكترونات فقط هي الجسيمات الأساسية، أي غير قادرة على الإنقسام إلى جسيمات أبسط.

الإلكترون هو أحد الجسيمات الأساسية التي تتكون منها المادة. كل المواد باستثناء المادة المظلمة تتكون من جزيئات، والتي هي نفسها مصنوعة من الذرات. تتكون الذرات من جزأين، نواة ذرية وسحابة إلكترونية، تدور الإلكترونات حول نواة الذرة. تنتمي الإلكترونات إلى مجموعة من الجسيمات الأولية، تُعرف باسم “اللبتونات”. اللبتونات هي جسيمات أولية نصف عدد صحيح (تدور 1⁄2) لا تخضع لتفاعلات قوية. يخضعون لمبدأ “استبعاد باولي”. هذه الحقيقة لها آثار رئيسية على بناء الجدول الدوري للعناصر.

الإلكترونات مشحونة سالبة (1e-)، وهي جسيمات عديمة الكتلة تقريباً تمثل معظم حجم الذرة. تساوي كتلة سكونها (9.109 × 10⁻³¹) (510.998 keV/c²) (حوالي 1/1836 من كتلة البروتون). تم اكتشاف الإلكترونات من قبل “السير جون جوزيف طومسون” في عام 1897م. توجد الإلكترونات في سحابة إلكترونية، وهي المنطقة المحيطة بنواة الذرة.

الإلكترون هو عضو واحد فقط من فئة الجسيمات الأولية التي تشكل الذرة. إنّ وجود أو عدم وجود فائض من الإلكترونات مسؤول عن جميع الظواهر الكهربائية. افترض أن سلكاً معدنياً متصل بطرفين للبطارية. الضغط الكهربائي من الإلكترونات داخل البطارية يجبر الإلكترونات في ذرات المعدن على التدفق. هذا التدفق للإلكترونات هو التيار كهربائي.

مستويات طاقة الإلكترون – Electron energy levels:

تتراكم البروتونات والنيوترونات في الذرة معاً في لب مركزي يعرف باسم نواة الذرة. حجم النواة أصغر بآلاف المرات من حجم الذرة نفسها. يتم توزيع الإلكترونات في مناطق محددة خارج النواة. في وقت من الأوقات، اعتقد العلماء أنّ الإلكترونات تنتقل في مسارات محددة جداً حول النواة، على غرار المدارات التي تنتقل عبر الكواكب في النظام الشمسي.

الإلكترونات في النموذج القياسي:

الكواركات والإلكترونات هي بعض الجسيمات الأولية، تم اكتشاف عدد من الجسيمات الأساسية في تجارب مختلفة، الكثير كان على الباحثين تنظيمها، تماماً كما فعل “منديليف” مع جدوله الدوري، يتم تلخيص ذلك في نموذج نظري (يتعلق بالتفاعلات النووية الكهرومغناطيسية الضعيفة والقوية) يسمى النموذج القياسي (The Standard Model).

في فيزياء الجسيمات، الجسيم الأولي أو الجسيم الأساسي هو جسيم مجهول بنيته التحتية، وبالتالي من غير المعروف ما إذا كان يتكون من جسيمات أخرى. في النموذج القياسي الحالي، هناك ستة (flavors) من الكواركات وستة كواركات، تماماً كما توجد ستة لبتونات قائمة على تناظر مفترض في الطبيعة.

خصائص الإلكترون – Electron properties:

الإلكترون، الذي يشار إليه بـالرمز (e-)، هو الجسيم الأساسي ذو الشحنة السالبة. خصائصه مستقلة عن الغاز في أنبوب التفريغ. للإلكترونات ثلاثة خصائص أساسية، وهي: الشّحنة والكتلة والدوران. بحكم التعريف، الشحنة الكهربائية على الإلكترون هي (1). كتلة الإلكترون ضئيلة وشحنتها (-1)، تم قياس كتلة الإلكترون ووجدت أنّها “9.109389 ×10⁻³¹ كجم”.

تدور الإلكترونات أيضاً على محاورها بنفس الطريقة التي تدور بها الكواكب. الإلكترونات الدوارة، مثل أي شحنة كهربائية متحركة أخرى، تخلق مجالاً مغناطيسياً حول نفسها. يؤثر هذا المجال المغناطيسي على طريقة ترتيب الإلكترونات في الذرات وكيفية تفاعلها مع بعضها البعض. الحقل المغناطيسي مسؤول أيضاً عن الخصائص المغناطيسية للمواد.

البوزترون – Positron:

يسمى الجسيم المضاد للإلكترون بالبوزيترون، إنّه مطابق للإلكترون باستثناء أنّه يحمل شحنات كهربائية وشحنات أخرى من الإشارة المعاكسة. عندما يصطدم إلكترون بالبوزيترون، يمكن إفناء كلا الجسيمين كلياً، مما ينتج فوتوناتأشعة جاما.

جاءت الفكرة الأصلية للجسيمات المضادة من معادلة موجية نسبية تم تطويرها في عام 1928م من قبل العالم الإنجليزي (P. A. M. Dirac 1902-1984)، لقد أدرك أنّ نسخته النسبية من معادلة “شرودنجر” الموجية للإلكترونات تنبأت بإمكانية وجود الإلكترونات المضادة. اكتشف “بول ديراك” و”كارل أندرسون” هذه في عام 1932م، وأطلق عليها اسم البوزيترونات.

درس العالمان تصادمات الأشعة الكونية عبر حجرة سحابية” كاشف الجسيمات” الذي تترك فيه الإلكترونات المتحركة (أو البوزيترونات) وراءها آثاراً أثناء تحركها عبر الغاز، تتبع مسارات البوزيترون في الحجرة السحابية نفس المسار الحلزوني للإلكترون ولكنّها تدور في الإتجاه المعاكس بالنسبة لاتجاه المجال المغناطيسي نظراً لامتلاكها نفس مقدار نسبة الشحنة إلى الكتلة ولكن مع شحنة معاكسة، وبالتالي فهي عكس ذلك نسب الشحنة إلى الكتلة. على الرغم من أنّ “ديراك” لم يستخدم مصطلح المادة المضادة، إلّا أنّ استخدامه يتبع بشكل طبيعي بما يكفي من الإلكترونات المضادة والبروتونات المضادة.

جسيمات بيتا – Beta Particle:

جسيمات بيتا عبارة عن إلكترونات عالية الطاقة وعالية السرعة أو بوزيترونات تنبعث من شظايا انشطارية معينة أو عن طريق نوى مشعة بدائية معينة مثل “البوتاسيوم -40″. جسيمات بيتا هي شكل من أشكال الإشعاع المؤين المعروف أيضاً باسم أشعة بيتا، يسمى إنتاج جسيمات بيتا تحلل بيتا. هناك نوعان من أشكال اضمحلال بيتا، اضمحلال الإلكترون (β− decay) واضمحلال البوزيترون (β+ decay).

في المفاعل النووي يحدث تحلل (β−) بشكل خاص، لأنّ السمة المشتركة لنواتج الإنشطار هي زيادة النيوترونات، جزء الإنشطار غير المستقر مع زيادة النيوترونات يخضع للإضمحلال، حيث يتم تحويل النيوترون إلى بروتون، وإلكترون يتحول إلى الإلكترون مضاد نيترينو (an electron antineutrino).

سحابة الإلكترون – Electron Cloud:

نموذج السحابة الإلكترونية هو نموذج للذرة، تتكون فيه الذرة من نواة صغيرة ولكنّها ضخمة محاطة بسحابة من الإلكترونات سريعة الحركة. يقول نموذج السحابة الإلكترونية أنّه لا يمكننا أن نعرف بالضبط مكان وجود الإلكترون في أي وقت، ولكن من المرجح أن تكون الإلكترونات في مناطق محددة. يحدد نموذج سحابة الإلكترون منطقة الإحتمال التي تصف موقع الإلكترون، بسبب “مبدأ عدم اليقين“.

تنجذب الإلكترونات في الذرة إلى البروتونات في النواة بواسطة القوة الكهرومغناطيسية، تربط هذه القوة الإلكترونات داخل بئر جهد إلكتروستاتيكي يحيط بالنواة الأصغر، مما يعني أنّ هناك حاجة إلى مصدر خارجي للطاقة للهروب من الإلكترون. عدد الإلكترونات في ذرة متعادلة كهربائياً هو نفسه عدد البروتونات في النواة. وبالتالي، فإنّ إجمالي الشحنة الكهربائية للنواة هو (+Ze)، حيث تساوي e (الشحنة الأولية) (1,602 × 10¹⁹). يتأثر كل إلكترون بالمجالات الكهربائية التي تنتجها الشحنة النووية الموجبة والأخرى (Z – 1) بالإلكترونات السالبة في الذرة.

نظراً لأنّ عدد الإلكترونات وترتيبها مسؤولان عن السلوك الكيميائي للذرات، فإنّ العدد الذري يحدد العناصر الكيميائية المختلفة، يتبع تكوين هذه الإلكترونات مبادئ ميكانيكا الكم. عدد الإلكترونات في غلاف الإلكترون لكل عنصر، وخاصة غلاف التكافؤ الخارجي، هو العامل الأساسي في تحديد سلوك الترابط الكيميائي. في الجدول الدوري، يتم سرد العناصر بترتيب زيادة العدد الذري Z.