الکترون[۳] (با نماد e) یک ذره زیر اتمی است که حامل یک بار الکتریکی منفی میباشد. الکترون هیچ جزء یا ذرهٔ زیر مجموعهٔ شناخته شدهای ندارد؛ بنابراین الکترون به طور کلی به عنوان یک ذرهٔ بنیادی شناخته میشود.[۴] یک الکترون دارای جرمی تقریباً برابر با ۱/۱۸۳۶ جرم پروتون است.[۵][۶] اندازه حرکت زاویهای ذاتی (اسپین) الکترون یک مقدار نیمه صحیح بر حسب ħ (ثابت کاهیدهٔ پلانک)است، که به معنای آن است که الکترون یک فرمیون میباشد. پادذرهٔ الکترون پوزیترون نامیده میشود. پوزیترون همان الکترون است با این تفاوت که پوزیترون حامل بار الکتریکی با علامت مخالف بار الکتریکی الکترون است. هنگامی که یک الکترون با یک پوزیترون برخورد میکند، هر دو ذره ممکن است پراکنده شوند و یا اینکه کاملاً نابود شوند، و یک جفت (یا بیشتر) فوتونهای اشعه گاما تولید کنند. الکترونها که متعلق به اولین نسل خانوادهٔ ذرات لپتون هستند،[۷] در واکنشهای گرانشی، الکترومغناطیسی و واکنشهای ضعیف شرکت میکنند.[۸] الکترونها، همانند همهٔ مواد، ویژگیهای مکانیک کوانتومی مربوط به ذره و نیز موج را دارند، بنابراین میتوانند با ذرات دیگر برخورد کنند و مانند نور دچار پراش شوند. هرچند به خوبی در آزمایشهای انجام شده روی الکترون نشان داده میشود که دلیل این دوگانگی جرم بسیار کوچک الکترون است. از آنجاکه الکترون یک فرمیون است، طبق اصل طرد پاولی هیچ دو الکترونی نمیتوانند یک حالت کوانتومی داشته باشند.[۷] مفهوم یک مقدار بار تجزیه ناپذیر برای توضیح ویژگیهای شیمیایی اتمها به عنوان یک نظریه در آمد و در سال ۱۸۳۸ توسط یک فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی به نام ریچارد لامینگ مطرح شد.[۹] نام الکترون در سال ۱۸۹۴ توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج جانتسون استونی برای این بار الکتریکی انتخاب شد. الکترون در سال ۱۸۹۷ توسط ج. ج. تامسون و گروهش که متشکل از فیزیکدانان انگلیسی بود، به عنوان یک ذره شناسایی شد.[۱۰][۱۱][۱۲]
در بسیاری از پدیدههای فیزیکی مانند الکتریسیته، مغناطیس و رسانش گرمایی، الکترونها نقشی اساسی را ایفا میکنند. یک الکترون در حرکت نسبت به یک ناظر یک میدان مغناطیسی تولید میکند، و توسط میدانهای مغناطیسی خارجی منحرف خواهد شد. هنگامی که یک الکترون شتاب میگیرد، میتواند انرژی را به شکل فوتون جذب کرده و یا تابش کند. الکترونها به همراه هستهٔ اتم که متشکل از پروتونها و نوترونها است، اتمها را میسازند. هر چند که الکترونها تنها ٪۰٫۰۶ جرم کل یک اتم را تشکیل میدهند. نیروی جاذبهٔ کولنی بین یک الکترون و یک پروتون باعث میشود که الکترونها در اتمها مقید بمانند. تبادل و یا اشتراک گذاری الکترون بین دو اتم یا بیشتر دلیل اصلی تشکیل پیوندهای شیمیایی است.[۱۳]
بیشتر الکترونهای عالم در بیگ بنگ تولید شدند، اما آنها همچنین ممکن است از طریق واپاشی بتای ایزوتوپهای رادیواکتیو در برخوردهای با انرژی بالا مانند هنگامی که پرتوهای کیهانی وارد جو میشوند، تولید شده باشند. الکترونها ممکن است به وسیلهٔ نابودی با پوزیترونها نابود شوند، و یا ممکن است در حین تشکیل هسته در ستارهها، جذب شوند. وسایل آزمایشگاهی قادرند تا الکترونهای منفرد را به خوبی پلاسمای الکترون، نگهداری و مشاهده کنند، زیرا تلسکوپهای مخصوص میتوانند پلاسمای الکترون را در فضای بیرونی جو آشکار سازی کنند. الکترونها کاربردهای فراوانی دارند که از آن جمله میتوان به جوشکاری، لولههای پرتو کاتدی، میکروسکوپهای الکترونی، پرتودرمانی، لیزرها و شتاب دهندههای ذرات اشاره کرد.
محتویات
۱ تاریخچه
۲ اکتشاف
۳ نظریهٔ اتمی
۴ مکانیک کوانتومی
۵ شتاب دهندههای ذرات
۶ ویژگیها
۶.۱ طبقهبندی
۷ سیر تحولی و رشد
۸ ساختار اتم الکترونی
۹ انتقال الکترونها
۱۰ گسیل الکترون
۱۱ انواع الکترونها
۱۱.۱ الکترون آزاد
۱۱.۲ الکترون اوژه
۱۱.۳ الکترونهای ترتل من(n.a.s.i.r.i)
۱۱.۴ الکترون ظرفیت یا الکترون والانس
۱۱.۵ الکترون رسانش
۱۱.۶ آلترونها
۱۱.۶.۱ آلترون اهرامی
۱۱.۶.۲ آلترون عطاردی
۱۱.۶.۳ کاشف آلترون
۱۲ نکات دیگر
۱۳ اسپین الکترون
۱۴ پراش الکترون
۱۵ موارد مرتبط
۱۶ منابع
۱۷ جستارهای وابسته
تاریخچه
نوشتار(های) وابسته: پیشینه الکتریسیته
یونانیان باستان مشاهده کردند که وقتی کهربا با پشم مالش داده شود، اشیای کوچک را به سمت خود جذب میکند. اگر از صاعقه صرف نظر کنیم، این پدیده اولین تجربهٔ مکتوب بشر از الکتریسیتهاست.[۱۴] در دههٔ ۱۶۰۰ دانشمندی انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت در مقالهای با عنوان مگنت برای اشاره به این ویژگی جذب اشیای کوچک پس از مالش، واژهٔ لاتین جدیدی به نام الکتریکوس را به کار برد.[۱۵] واژههای الکتریسیته و الکتریک هر دو از واژهٔ لاتین الکتروم (هم چنین ریشهٔ ترکیب همان اسم)، که از واژهٔ یونانی ήλεκτρον (الکترون) برای کهربا آمدهاست، مشتق شدهاند.
در سال ۱۷۳۷ دوفی و هاوکس بی به طور جداگانه آن چه را که به عنوان دو نوع اصطکاک الکتریکی میشناختند کشف کردند؛ یکی تولید شده از مالش شیشه، و دیگری از مالش رزین. مطابق آن دوفی گفت که الکترون از دو مایع الکتریکی تشکیل شدهاست، «ویترئوس» و «رزینوس» که به وسیلهٔ اصطکاک از هم جدا شدهاند و هنگامی که با هم ترکیب شوند یکدیگر را نابود میکنند.[۱۶] یک دهه بعد بنجامین فرانکلین پیشنهاد داد که الکتریسیته از انواع مختلف مایعهای الکتریکی ساخته نشدهاست، بلکه یک مایع الکتریکی تحت فشارهای مختلف است. او بارهای جدید را به ترتیب با نامهای مثبت و منفی نام گذاری کرد.[۱۷] فرانکلین حامل بار را مثبت در نظر گرفته بود.[۱۸]
بین سالهای ۱۸۳۸ تا ۱۸۵۱، فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی ریچارد لامینگ به گسترش این نظریه که اتم متشکل از یک هستهٔ مادی است که به وسیله ذرات زیر اتمی حامل واحدهای بار الکتریکی در بر گرفته شدهاست، پرداخت.[۱۹] در اوایل سال ۱۸۳۶، یک فیزیکدان آلمانی به نام ویلیام وبر نظریهای را مطرح کرد که الکتریسیته متشکل از مایعهای باردار مثبت و منفی است و برهم کنش آنها از قانون عکس مجذوری تبعیت میکند. پس از مطالعهٔ پدیدهٔ الکترولیز در سال ۱۸۷۴، فیزیکدان ایرلندی جورج جانستون استونی پیشنهاد کرد که یک مقدار بار الکتریکی ثابت وجود دارد که همان بار یون تک ظرفیتی است. او قادر بود تا مقدار بار بنیادی الکترون را به وسیلهٔ قوانین الکترولیز فارادی تخمین بزند.[۲۰] هرچندکه استونی معتقد بود این بارها به طور دائمی به اتمها متصل هستند و نمیتوانند جدا شوند. در سال ۱۸۸۱ یک فیزیکدان آلمانی به نام هرمان وان هلمولتز مدعی شد که بارهای مثبت و منفی هر دو به قسمتهای بنیادی تری تقسیم میشوند که هر کدام از آنها «مانند اتمهای الکتریسیته رفتار میکنند».[۲۱]
در سال ۱۸۹۴ استونی واژهٔ الکترون را برای توصیف این بارهای بنیادی به کار برد و گفت: «... یک تخمین از این قابل توجه ترین میزان واحد پایهای الکتریسیته زده شد، که من به این دلیل اقدام به پیشنهاد نام الکترون کردم».[۲۲] کلمهٔ الکترون یک ترکیب از کلمهٔ الکتریک و پسوند -ون میباشد، که امروزه از دومی برای معین کردن یک ذرهٔ زیر اتمی مانند یک پروتون و یا یک نوترون استفاده میشود.[۲۳][۲۴]
اکتشاف
A round glass vacuum tube with a glowing circular beam inside
یک پرتو از الکترونها که به شکل دایره و به وسیلهٔ یک میدان مغناطیسی منحرف شدهاست.[۲۵]
یک فیزیکدان آلمانی به نام جان ویلهلم هیتورف عهده دار مطالعهٔ رسانایی الکتریکی در گازهای رقیق بود. در سال ۱۸۶۹ او یک تابش را که از کاتد ساطع میشد کشف کرد، که اندازهٔ این تابش با کاهش فشار گاز افزایش مییافت. در سال ۱۸۷۶ یک دانشمند آلمانی به نام یوگن گلدشتاین نشان داد که پرتوهای این تابش میتوانند سایه تولید کنند، و او این اشعهها را اشعههای کاتدی نامید.[۲۶] در طول دههٔ ۱۸۷۰، یک شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی به نام سر ویلیام کروکس، اولین لولهٔ پرتو کاتدی را به یک محفظه با خلأ بالا تبدیل کرد.[۲۷] او سپس نشان داد که پرتوهای لومینسانس در داخل لوله ظاهر شده، حامل انرژی هستند و از کاتد به طرف آند حرکت میکنند. علاوه بر این، او قادر بود تا با اعمال یک میدان مغناطیسی پرتوها را منحرف کند و بدین وسیله او توانست نشان دهد که این پرتو همانند اینکه بار منفی داشته باشد رفتار میکند.[۲۸][۲۹] در سال ۱۸۷۹ او پیشنهاد داد که این ویژگیها را میتوان با چیزی که او آن را مادهٔ پرتوزا نامید، توضیح داد. او پیشنهاد کرد که این ماده چهارمین حالت مادهاست که شامل مولکولهای با بار منفی است که با سرعت بالا از کاتد تابش میشوند.[۳۰]
یک فیزیکدان آلمانی الأصل انگلیسی به نام آرتور شوستر به وسیلهٔ قرار دادن صفحات فلزی به موازات پرتوهای کاتدی و اعمال پتانسیل الکتریکی بین این صفحات، به گسترش آزمایشها کروکس پرداخت. میدان ایجاد شده پرتوها را به طرف صفحهٔ با بار مثبت منحرف کرد، که ثابت میکرد این پرتوها حامل بار منفی هستند. با اندازهگیری مقدار این انحراف به ازای یک جریان معین، در سال ۱۸۹۰ شوستر قادر بود تا نسبت بار به جرم اجزای این پرتو را تخمین بزند. از آنجا که این نسبت بیش از هزار بار بزرگتر از آنچه انتظار داشتند بود، عدهٔ کمی به آن توجه کردند.[۲۸][۳۱]
در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان انگلیسی به نام ج. ج تامسون با همکارانش به نامهای جان تاونسند و ویلسون،[۳۲] آزمایشهایی را انجام دادند که نشان میداد پرتوهای کاتدی که قبلاً تصور میشد از موجها، اتمها یا مولکولها ساخته شدهاند، واقعاً ذرات یکتایی هستند.[۳۳] تامسون تخمینهای خوبی از بار e و جرم m زد که نشان میداد ذرات پرتو کاتدی، که او آنها را «کورپوسکل» مینامید، احتمالاً دارای جرمی معادل یک هزارم جرم سبک ترین یون شناخته شده یعنی هیدروژن هستند.[۳۳][۳۴] او نشان داد که نسبت بار به جرم آنها یعنی e/m به جنس کاتد بستگی ندارد. او بعداً نشان داد که ذرات با بار منفی تولید شده به وسیلهٔ مواد رادیواکتیو، مواد پرحرارت و مواد تحت تابش نورانی، یکسان هستند.[۳۳][۳۵] نام الکترون دوباره برای این ذرات توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج فیتزگراد پیشنهاد داده شد و این نام تاکنون مورد پذیرش جهانی است.[۲۸]
هنگام مطالعهٔ مواد معدنی دارای خاصیت فلوئورسانس در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان فرانسوی به نام هانری بکرل کشف کرد که این مواد بدون قرار گرفتن در معرض یک منبع انرژی خارجی، پرتو تابش میکنند. این مواد رادیو اکتیو تبدیل به موضوع مورد علاقه دانشمندان از جمله فیزیکدان نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد شدند که کشف کرد این مواد تابش کنندهٔ ذرات هستند. او این ذرات را بر اساس توانایی نفوذشان در مواد، آلفا و بتا نامید.[۳۶] در سال ۱۹۰۰ بکرل نشان داد که پرتوهای بتای تولید شده به وسیلهٔ رادیوم توسط میدان الکتریکی منحرف میشوند و نسبت جرم به بار آنها با پرتوهای کاتدی یکسان است.[۳۷] این مشاهده، دیدگاه وجود الکترونها به عنوان جزئی از اتمها را تقویت کرد.[۳۸][۳۹]
در سال ۱۹۰۹ بار الکترون با دقت بیشتری توسط یک دانشمند امریکایی به نام رابرت میلیکان و بوسیله آزمایش قطره روغن او اندازهگیری شد و او نتایج این آزمایش را در سال ۱۹۱۱ منتشر کرد. در این آزمایش از یک میدان الکتریکی استفاده شده بود تا از سقوط قطرههای کوچک روغن بر اثر جاذبه جلوگیری کند. این وسیله میتوانست بار الکتریکی را برای تعداد کمی هم چون ۱-۱۵۰ یون را با خطای کمتر از٪ ۳/۰ اندازه بگیرد. پیش از این آزمایشهای قابل مقایسهای توسط گروه تامسون انجام شده بود ،[۳۳] که در آنها از بخار قطرات ریز آب باردار که به وسیله برقکافت تولید شده بودند استفاده شده بود،[۳۲] و در سال ۱۹۱۱ آبرام ایوفی به طور جداگانه به همان نتیجهٔ میلیکان با استفاده از میکروذرات فلزات دست یافت، و نتایج آن را در سال ۱۹۱۳ منتشر کرد.[۴۰] هر چند که قطرههای روغن به دلیل سرعت تبخیر کمتر، از قطرههای آب پایدار تر و در نتیجه برای آزمایش دقیق در زمانهای طولانی مناسب تر بودند.[۴۱]
در اوایل قرن بیستم مشخص شد که در شرایط خاصی یک ذرهٔ باردار متحرک با سرعت بالا باعث میعان بخار آب فراسیرشده در مسیر خود میشود. در سال ۱۹۱۱ چارلز ویلسون از این ویژگی استفاده کرد تا اتاقک ابر خود را طراحی کند که اجازه میداد از مسیر ذرات باردار نظیر الکترونهای با سرعت بالا عکس برداری شود.[۴۲]
نظریهٔ اتمی
Three concentric circles about a nucleus, with an electron moving from the second to the first circle and releasing a photon
مدل اتمی بور، نشان دهندهٔ حالتهای الکترون با انرژی کوانتیده به وسیلهٔ شمارهٔ n. هنگامی که الکترون به یک مدار پایینتر میافتد یک فوتون تابش تابش میکند که با اختلاف انرژی بین مدارها یکسان است.
در سال ۱۹۱۴ آزمایشهای انجام شده به وسیلهٔ فیزیکدانانی هم چون ارنست رادرفورد، هنری موزلی، جیمز فرانک و گوستاو هرتز تا حد زیادی ساختار یک اتم را مشخص کرده بود که بیان میکرد یک هسته ی متراکم با بار مثبت به وسیلهٔ الکترونهایی با جرم کم محاصره شدهاست.[۴۳] در سال ۱۹۱۳ یک فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور فرض کرد که الکترون در حالتهای انرژی کوانتیده، با انرژی تعیین شده به وسیلهٔ اندازه حرکت زاویهای مدارهای الکترون به دور هسته قرار دارد. الکترونها میتوانند بین این حالتها یا مدارها با نشر یا جذب فوتونها در فرکانسهای خاص، حرکت کنند. او به وسیلهٔ این مدارهای کوانتیده خطوط طیفی اتم هیدروژن را به طور دقیقی توضیح داد.[۴۴] با این وجود مدل بور در بیان علت شدت نسبی خطوط طیف شکست خورد و در توضیح طیف اتمهای پیچیده تر ناموفق بود.[۴۳]
پیوندهای شیمیایی بین اتمهای به وسیلهٔ گیلبرت نیوتون لوییس توضیح داده شدند، که در سال ۱۹۱۶ پیشنهاد داد که یک پیوند کووالانسی بین دو اتم به وسیلهٔ دو الکترون به وجود میآید که بین دو اتم به اشتراک گذاشته میشوند.[۴۵] بعدها در سال ۱۹۲۳ والتر هایتلر و فریتز لاندن توضیح کاملی در مورد شکل گیری جفت الکترون و پیوند شیمیایی از طریق مکانیک کوانتومی ارائه دادند.[۴۶] در سال ۱۹۱۹ یک شیمیدان آمریکایی به نام اروین لانگمور مدل اتمی استاتیک لوییس را گسترش داد و معتقد بود که همهٔ الکترونها در پوستههای کروی متحدالمرکز (تقریباً) با ضخامت یکسان به طور متوالی توزیع شدهاند.[۴۷] پوستهها توسط او به ترتیب به تعدادی سلول تقسیم شدند که هر کدام از آنها شامل یک جفت الکترون بود. با این نظریه لانگمور قادر بود تا به طور کیفی ویژگیهای شیمیایی همهٔ عناصر جدول تناوبی را توضیح دهد،[۴۶] که تصور میشد به طور گستردهای خودشان را طبق قانون تناوبی تکرار میکنند.[۴۸]
در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان اطریشی به نام ولفگانگ پاؤلی مشاهده کرد که ساختارهای پوسته شکل اتم میتوانند به وسیله یک دسته چهارتایی از پارامترها توضیح داده شوند که هر حالت انرژی کوانتومی را تعریف میکنند مادامی که هر حالت به وسیلهٔ یک الکترون اشغال شده باشد. (این محدودیت که یک حالت انرژی کوانتومی نمیتواند با بیش از یک الکترون اشغال شود به اصل طرد پاؤلی معروف شد)[۴۹] سازوکار فیزیکی برای توضیح چهارمین پارامتر که دو مقدار ممکن مجزا داشت، به وسیلهٔ فیزیکدانهای هلندی به نامهای آبراهام گودسمیت و جورج اوهلنبرگ فراهم شد و آنها معتقد بودند که یک الکترون علاوه بر اندازه حرکت زاویهای ناشی از حرکت دایرهای، خودش نیز میتواند اندازه حرکت زاویهای داشته باشد.[۴۳][۵۰] این ویژگی به عنوان اسپین شناخته شد، و گسستگی رمزآلود خطوط طیفی پیشین را که با یک طیف نگار دقیق مشاهده شده بودند را توضیح داد؛ امروزه این پدیده به عنوان گسستگی ساختار ضعیف شناخته شدهاست.[۵۱]
مکانیک کوانتومی
نوشتار(های) وابسته: پیشینه مکانیک کوانتومی
در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان فرانسوی به نام لوییس دوبروی در مقاله اش با عنوان (تحقیق دربارهٔ نظریهٔ کوانتوم) فرضیهای را مطرح کرد که همهٔ مواد دارای یک موج دوبروی میباشند که شبیه نور است.[۵۲] در شرایط مناسب، الکترونها یا مواد دیگر ممکن است از خودشان ویژگیهای ذرات یا امواج را نشان بدهند. ویژگیهای ذرهای یک ذره هنگامی بروز میکنند که در هر لحظه از طول مسیرش از خود یک موقعیت متمرکز در فضا نشان بدهد.[۵۳] طبیعت موجی هنگامی مشاهده میشود که مثلاً وقتی یک پرتو نور از میان دو شکاف موازی عبور میکند و تشکیل طرح تداخلی میدهد. در سال ۱۹۲۷ اثر تداخلی با یک پرتو از الکترونها و با استفاده از یک پرده نازک فلزی توسط یک فیزیکدان انگلیسی به نام جورج پاجت تامسون مشاهده شد و همچنین دو فیزیکدان آمریکایی به نامهای کلینتون دیویسون و لستر گرمر این اثر را با استفاده از یک بلور نیکل مشاهده کردند.[۵۴]
A symmetrical blue cloud that decreases in intensity from the center outward
در مکانیک کوانتومی رفتار یک الکترون در یک اتم به وسیلهٔ یک اوربیتال توصیف میشود که به جای مدار یک توزیع احتمال است. در تصویر بالا سایه نشان دهندهٔ احتمال وابسته به پیداکردن الکترون است، که دارای انرژی ای است که به اعداد کوانتومی داده شده در آن نقطه وابستهاست.
موفقیت پیش بینی دوبروی منجر به انتشار معادلهٔ شرودینگر توسط اروین شرودینگر در سال ۱۹۲۶ شد که به طور موفقیت آمیزی چگونگی انتشار امواج الکترونی را توصیف میکرد.[۵۵] به جای ارائهٔ یک راه حل که مکان الکترون را در طول زمان بیان کند، این معادلهٔ موج میتواند برای پیش بینی احتمال یافتن الکترون در نزدیکی یک مکان مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد بعدها مکانیک کوانتومی نامیده شد که یک نتیجهٔ بسیار نزدیک به حالتهای انرژی یک الکترون در یک اتم هیدروژن فراهم آورد.[۵۶] هنگامی که اسپین و واکنش بین الکترونها در نظر گرفته شدند، مکانیک کوانتومی اجازه داد که تعریف الکترونها در اتمهای با اعداد اتمی بالاتر از هیدروژن به طور موفقیت آمیزی پیش بینی شوند.[۵۷]
در سال ۱۹۲۸ پاؤل دیراک بر مبنای کار ولفگانگ پاؤلی یک مدل از الکترون به نام معادلهٔ دیراک ارائه داد که با نظریه نسبیت سازگار بود و آن را با اعمال فرضهای نسبیتی و متناسب با فرمولبندی همیلتونی میدان الکترومغناطیسی در مکانیک کوانتومی مطرح کرد.[۵۸] در سال ۱۹۳۰ دیراک به منظور رفع برخی اشکالات موجود در معادلهٔ نسبیتی اش، یک مدل از خلأ به عنوان یک دریای نامتناهی از ذرات با انرژی منفی ارائه داد که دریای دیراک نامیده شد. این موضوع منجر شد که او وجود پوزیترون را که پادماده ای دربرابر الکترون است، پیش بینی کند.[۵۹] این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط کارل اندرسون کشف شد و پیشنهاد داد که الکترونهای استاندارد نگاترون نامیده شوند و الکترون به عنوان یک عبارت عمومی بکار برده شود که هر دو نوع گونههای باردار مثبت و منفی را توصیف میکند. امروزه هنوز عبارت نگاترون به ندرت استفاده میشود و شاید گاهی بصورت نگاتون کوتاه شود.[۶۰][۶۱]
در سال ۱۹۴۷ ویلیس لام به هنگام همکاری با یک دانشجوی فارغالتحصیل به نام رابرت رادرفورد، متوجه شد که حالتهای کوانتومی معینی از اتم هیدروژن که باید انرژیهای یکسانی داشته باشند نسبت به یکدیگر تغییر میکنند که این تفاوت با نام تمایل لام شناخته میشود. تقریباً در همان زمان پولیکارپ کوش هنگام کار با هنری فولی، کشف کرد که گشتاور مغناطیسی الکترون کمی بیشتر از آن چیزی است که توسط نظریه دیراک پیش بینی شدهاست. این تفاوت کوچک بعدها گشتاور دوقطبی مغناطیسی بهنجار الکترون نامیده شد. برای حل این گونه مسائل یک تئوری تصحیح شده در اواخر دههٔ ۱۹۴۰ به نام الکترودینامیک کوانتومی منتشر شد که به وسیلهٔ سین ایتیرو توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن ارائه شده بود.[۶۲]
شتاب دهندههای ذرات
با توسعهٔ شتاب دهندهٔ ذرهای در طول نیمهٔ اول قرن بیستم، فیزیکدانها شروع به کاوش بیشتری در ذرات زیر اتمی کردند.[۶۳] اولین تلاش موفقیت آمیز برای شتاب دادن به الکترونها با استفاده از القای الکترومغناطیسی را دونالد کرست در سال ۱۹۴۲ انجام داد. بتاترون اولیه او به انرژی ۲٫۳ MeV رسید اما بعدها بتاترونها به انرژی ۳۰۰ MeV دست یافتند. در سال ۱۹۴۷ تابش سینکروترون با استفاده از یک سینکروترون الکترونی ۷۰ MeV و در شرکت جنرال الکتریک کشف شد. این تابش به دلیل شتاب الکترونها با سرعتی نزدیک به سرعت نور و از میان یک میدان مغناطیسی به وجود آمد.[۶۴]
اولین برخورد دهنده ی ذرات با انرژی بالا آدون نام داشت که دارای یک پرتو با انرژی ۱٫۵ GeV بود و در سال ۱۹۶۸ شروع به کار کرد.[۶۵] این وسیله الکترونها و پوزیترونها را در جهت مخالف شتاب میداد، که به طور مؤثری انرژی حاصل از برخورد آنها را در مقایسه با برخورد یک الکترون با یک هدف ساکن دوبرابر میکرد.[۶۶] شتاب دهندهٔ بزرگ الکترون-پوزیترون (LEP) در سرن که از سال ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ در حال کار بود توانست به انرژی برخورد GeV ۲۰۹ دست یابد که یک معیار مهم برای مدل استاندارد فیزیک ذرات بود.[۶۷][۶۸]
ویژگیها
طبقهبندی
A table with four rows and four columns, with each cell containing a particle identifier
مدل استاندارد ذرات بنیادی. الکترون در گوشهٔ پایین و سمت چپ قرار دارد.
در مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترونها به گروهی از ذرات زیر اتمی به نام لپتونها تعلق دارند که ذرات بنیادی یا اولیه در نظر گرفته میشوند. الکترونها دارای کمترین مقدار جرم در میان لپتونهای باردار هستند (و یا هر نوع ذره دارای بار الکتریکی) و متعلق به اولین نسل ذرات بنیادی هستند.[۶۵] دومین و سومین نسل لپتونهای باردار میوئون و تاو هستند که از نظر بار، اسپین و برهم کنش با الکترونها یکسان بوده ولی دارای جرم بیشتری میباشند. لپتونها از نظر نداشتن برهم کنش قوی با جزء دیگر تشکیل دهندهٔ ماده به نام کوارک تفاوت دارند. همهٔ اعضای گروه لپتونها فرمیون هستند زیرا همگی آنها دارای اسپینی برابر نصف عدد صحیح واحد میباشند و الکترون دارای اسپین ½ است.[۶۶]
سیر تحولی و رشد
در نظریههای دالتون و نیز در نظریههای یونانیان، اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند. اما در اواخر سده نوزدهم کمکم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر تشکیل یافتهاست. این تغییر دیدگاه، نتیجهٔ آزمایشهایی بود که با الکتریسیته به عمل آمد. در ۱۸۰۷ - ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته، پنج عنصر پتاسیم، سدیم، کلسیم، استرانسیم و باریم را کشف کرد و دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبههایی که ماهیتا الکتریکی هستند بهم وصل میشوند.
شماتیک برداری پراشیدگی الکترون
در سال ۱۸۳۳ - ۱۸۳۲ مایکل فارادی مجموعه آزمایشهای مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرایند برقکافت، مواد مرکب بهوسیله الکتریسیته تجزیه میشوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی، جرج جانستون استونی در سال ۱۸۷۴ به طرح این مسأله پرداخت که: واحدهای بار الکتریکی با اتمها پیوستگی دارند. او در سال ۱۸۹۱ این واحد را الکترون نامید.
در سالهای پایانی سده نوزدهم میلادی بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر میشود: یکی به صورت الکترون با جرم ۹٫۱۰۹۵۳۴×۱۰-۳۱ کیلوگرم و بار منفی ۱٫۶۰۲×۱۰-۱۹ کولن و دیگری به صورت پروتون با جرم ۱٫۶۷۲۶۲۳×۱۰-۲۷ کیلو گرم و بار ۱٫۶۰۲۱۷۷×۱۰-۱۹ اعتقاد بر این بود که اتمها (و در نتیجه مولکولها) از ترکیب الکترونها و پروتونها شکل میگیرد. در اوایل دهه ۱۹۳۰ معلوم شد که هسته اتمها (بجز هیدروژن) از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی و با جرم ۱٫۶۷۵×۱۰-۲۷ و بدون بار الکتریکی مثبت تشکیل میشود. همچنین کشف شد که الکترون مثبت (یا پوزیترون) نیز با جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظهای) وجود دارد.
ساختار اتم الکترونی
چنانچه گفته شد اتمها از ترکیب الکترونها و پروتونها شکل گرفتهاند و هسته اتمها نیز از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی تشکیل شدهاست. به این ترتیب، اتم خنثی هستهای با بار مثبت دارد که با الکترونهای (منفی) احاطه شدهاست. اندازه هسته در هر اتم از مرتبه حدود ۱/۱۰ اندازه اتم است. بقیه حجم اتم را الکترونهای مداری در اشغال خود دارند.
انتقال الکترونها
در رسانای الکتریسته (که معمولاً از جنس فلزند)، مسیرهایی برای انتقال سریع الکترونها وجود دارد. یونها (اتمها و مولکولهای با بار الکتریکی مثبت یا منفی در محلولها) نیز میتوانند رساننده الکتریسته باشند. الکتریسته میتواند در هوا یا گازهای دیگر نیز منتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقهای است که چشمهای با ولتاژ زیاد (چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله) آن را در فشار جو بوجود میآورد؛ و یا در فشار کمنظیر آنچه در لامپهای نئونی روی میدهد به صورت تخلیه الکتریکی است. هنوز چیزهای زیادی از الکترون برای ما انسانها پوشیدهاست.
گسیل الکترون
فلزات داغ الکترونهای فراوانی گسیل میکنند که آنها را میتوان در خلأ خوب به صورت پرتوهای کاتدی شتاب داد. این پرتوهای تولید شده در لامپ کاتدی را میتوان به کمک میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فلوئورتاب کانونی کرد. لامپهایی که بر این اساس کار میکنند در میکروسکوپهای الکترونی، صفحههای نمایشی رایانهها و همچنین در تلویزیونها کاربرد دارد.
بر اثر کوششهایی که برای عبور جریان برق در خلا به عمل آمد، یولیوس پلوکر در ۱۸۵۹ پرتوهای کاتدی را کشف کرد. موضوع از این قرار بود که دو الکترود در یک لوله شیشهای وارد کردند و پس از مسدود کردن لوله، هوای آنرا تقریباً بطور کامل بیرون کشیدند. وقتی یک ولتاژ زیاد بین دو الکترود برقرار گردید، از الکترود منفی که کاتد نامیده میشود پرتوهایی گسیل یافت. این پرتوها بار منفی دارند، بر خط راست سیر میکنند و بر دیواره مقابل کاتد موجب تلألو میشوند. لامپهای تصویری که در صفحهٔ تلویزیون و صفحه نمایشهای کامپیوتری بهکار میروند. لولههای پرتو کاتدی جدیدی هستند، در این لامپها پرتوها بر صفحهای متمرکز میشوند. این صفحه با موادی پوشیده شده که هنگام برخورد با تابش پرتوها درخشش ایجاد میکنند.
در اواخر سدهٔ نوزدهم، پرتوهای کاتدی بطور وسیعی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشهای متعدد دانشمندان به این نتیجه انجامید که پرتوهای مذکور جریانی از ذرات بار دار منفی است که حرکتی سریع دارند. این ذرات همانطور که استونی پیشنهاد کرده بود الکترون نامیده شد. این الکترونها که از فلز کاتد ناشی میشوند همواره یکسانند و به جنس فلز بستگی ندارند. چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب میکنند، جریان الکترونهایی که پرتوی کاتدی را بوجود میآورند هرگاه از میان دو صفحه با بارهای مخالف بگذرند به طرف صفحهای که بار مثبت دارد کشیده میشوند؛ بنابراین پرتوهای کاتدی در یک میدان الکتریکی از مسیر عادی مستقیم خود منحرف میشوند. درجه این اختلاف به دو عامل بستگی دارد:
انحراف بطور مستقیم با اندازه بار ذره تغییر میکند. ذرهای که بار بیشتری دارد بیشتر از ذرهای که بار کمتری دارد منحرف میشود.
انحراف بطور معکوس با جرم ذره تغییر میکند. ذرهای با جرم بزرگتر کمتر از ذرهای با جرم کوچکتر منحرف میشود.
انواع الکترونها
الکترون آزاد
الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد. الکترونهای بیرونیترین لایههای اتمهای فلزات بستگی کمتری نسبت به اتمهای خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتمها کنده میشوند و به شکل تودهای از ابر یا گاز، شبکههای اتمی فلزات را در بر میگیرند. هنگامی که الکترونهای آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود میآید.
الکترون اوژه
نوشتار(های) وابسته: اثر اوژه
الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل میشود. هنگامیکه الکترونی، اتم را ترک کند، یک جای خالی از خود بجا میگذارد. الکترونهای لایههای بالاتر که پرانرژیترند میتوانند به این جای خالی رفته و انرژی آزاد کنند. انرژی آزاد شده میتواند به دو گونه باشد، یا بصورت فوتون تابش شود و یا به الکترون دیگری منتقل شده و باعث شود آن الکترون از اتم به بیرون پرتاب شود. الکترونی که بدینگونه از اتم خارج میشود را الکترون اوژه گویند.
به بیان دیگر، الکترون اوژه از بازآرایی الکترونهای مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه میگیرد. این بازآیی از واکنش الکترون - الکترون که مولد نیروی دافعهاست و میتواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته فایق آید، صورت میگیرد. با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی میتواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترونهای تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط میکند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج میشود.
الکترونهای ترتل من(n.a.s.i.r.i)
دستهای از الکترونها که همانند الکترون آزاد فعالیت ندارند ولی شبه رفتارهایی همجون الکترون آزاد۲۱ از خود نشان میدهند. الکترونهای لایه وسط شبه فلزات نمونهای از این دسته میباشند.{مدرک|}}
الکترون ظرفیت یا الکترون والانس
هر یک از الکترونهای لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت میکنند.
الکترون رسانش
اتمهای هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملاً مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شدهاند، به همدیگر مقید هستند؛ بنابراین الکترونهایی که قیدشان در ضعیفترین حد است (الکترون ظرفیت) میتوانند در سراسر فلز حرکت کنند. این الکترونهای متحرک که الکترون رسانش نامیده میشود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.
آلترونها
الکترونهایی که در محیط کیلاسونی فاقد جرم میباشند.
آلترون اهرامی
الکترونهایهایی که که خود مستقیما جابجا نمیشوند و برای جابجایی از یک تراز انرژی به تراز دیگر از واسطه (mirza) استفاده میکنند. اغلب با احتمال بسیار بالا محل چرخش این الکترونها تراز nili است.
آلترون عطاردی
الکترونهایی که خودبه خود جابجا شده و برای انتقال نیاز به واسطه (mirza) ندارند.
کاشف آلترون
ج. تامسون و ایهود باباخانییان (شیمیدان ارمنی تبار) بصورت همزمان موفق به کشف ذرات آلترون (الکترونهای فاقد جرم) گردیدند. اما به علت سرعت عمل تامسون در ثبت این اکتشاف، امروزه کشف ذرات آلترون را به تامسون منتسب میکنند.
نکات دیگر
مدل گاز آزاد فرمی: برای فلزهای ساده مانند (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li) سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیونها بدون برهمکنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یونها، میتوان محاسبه کرد. در این مدل، انرژی مجاز الکترونهای رسانشی پیوستهاند و در انرژی فرمی εf با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.
خواص الکترونی: وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال میشود، الکترونهای رسانش شروع به شتاب گرفتن میکنند. اما برخورد این الکترونها با ناخالصیها به فوتونها، ناکاملیهای شبکه، حرکتشان را کند میکند، این فرایند منجر به حالتی مانا میشوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از: v = -eET/m
که در آن e بار الکترون، E میدان الکتریکی، T زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.
سرعت سوق الکترون: میانگین سرعتی که با آن الکترونها یا یونها، بر اثر میدان الکتریکی در مادهای رسانا یا نیم رسانا جابجا میشوند. نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حاملهای (الکترونها و حفرههای رسانش) آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترونها و حفرهها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد. اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولاً بین ۱۰۲۲ تا ۱۰۲۶ الکترون یا حفره در هر متر مکعب است. در غیاب میدان الکتریکی این حاملها در جهت کاتورهای در جسم حرکت میکنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمیآورند.
هر گاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حاملها نیروی الکتریکی وارد میشود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده میشود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی میانجامد. اما حاملها با اتمها و نقص بلور، مانند ناخالصیها و دررفتگیها نیز برهمکنش و برخورد نیز دارند و این برخوردها سبب میشوند سرعت الکترون کاتورهای شود. به این ترتیب الکترونها و حفرهها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند؛ و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص میشود.
سرعت برخورد برابر است با Vp = eTE/m که در آن، E میدان الکتریکی اعمال شده بر حسب ولتمتر را، e بار الکترون و *m جرم مؤثر حامل است.
اسپین الکترون
اسپین یکی از ویژگیهای درونی ذرات است. اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانهٔ زاویهای ذرّهٔ ساکن مربوط میشود، اینکه الکترونها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است. اسپین الکترون در شیمی و در جنبههایی از رفتار ماده معمولی، بویژه در پدیدههای مغناطیسی نقش اساسی ایفا میکند. الکترون دارای اسپین ۱/۲ (نیم) است و این بدان معنیست که برای الکترون ساکن، اندازهگیری تکانهٔ زاویهای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجهٔ ممکن ħ/۲ ± میانجامد که در آن ħ = h/۲π ثابت کاهیده پلانک است.
اسپین الکترون دو پیامد فیزدیکی دارد: یکی اینکه الکترون را به صورت آهنربایی میکروسکوپیکی در میآورد، که هم میدان مغناطیسی تولید میکند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان میدهد. دیگر اینکه یک درجه آزادی به الکترون اضافه میکند: دو الکترون در یک تراز نمیتوانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترونها مربوط میشود.
پراش الکترون
فیزیک کلاسیک، الکترونها را ذراتی در نظر میگیرد با جرم و بار معین. برهمکنش الکترون با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را میتوان بر حسب حرکت ذره توضیح داد. آزمایشهای اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم میآورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح میاندازند. این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملاً سازگار است.
طول موج دوبروی الکترونی با انرژی ۱۰۰۰V یعنی الکترونی که با پتانسیل ۱۰۰۰V شتاب گرفته باشد، برابر ۴×۱۰-۱۱ متر است. چون این مقدار بسیار کوچکتر از اندازهٔ جسم است، اثر پراش بسیار کوچکتر از آن است که دیده شود. بلافاصله بعد از اینکه دوبروی اظهار نظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والتر الساسر اعلام کرد که پراش الکترونها باید در سطح بلور قابل مشاهده باشد.