ЭЛЕКТРОН

(символ е - , е), стабильная элементарная частица с наименьшим отрицат. электрич. зарядом. Абс. величина заряда Э. e= 1,6021892 x 10 -19 Кл, или 4,803242 x 10 -10 ед. СГСЕ. Масса покоя Э. т е = 9,109534 x 10 -28 г. Спин Э. равен ( -постоянная Планка); система Э. подчиняется статистике Ферми - Дирака (см. Статистическая ). Магн. момент Э., связанный с его спином, равен -1,00116, где магнетон Бора.
Э.- первая элементарная частица, открытая в физике (Дж. Дж. Томсон, 1897); соответствующая ему античастица -позитрон е + - была открыта в 1932. Э. относится к классу лептонов, т. е. частиц, не проявляющих сильного взаимодействия, в то же время он участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях (см. Элементарные частицы). Э. могут возникать при распаде отрицательно заряженного мюона, -распаде, др. р-циях элементарных частиц. Примером р-ций с превращением Э. может служить аннигиляция Э. и позитрона с образованием двух -квантов:
В классич. электродинамике Э. рассматривается как частица, движение к-рой подчиняется ур-ниям Лоренца-Максвелла. Сформулировать понятие "размер Э." можно лишь условно, хотя величину r 0 и принято наз. классич. радиусом Э. Описание поведения Э. в потенц. полях, отвечающее эксперим. данным, удалось дать лишь на базе квантовой теории, согласно к-рой движение Э. подчиняется ур-нию Шрёдингера для нерелятивистских явлений и ур-нию Дирака для релятивистских (см. Квантовая механика). Вычисляемые в релятивистской квантовой теории характеристики Э., напр. магн. момент, с чрезвычайно высокой точностью совпадают с их эксперим. значениями.
Э. входят в состав всех атомов и молекул; они определяют многие оптич., электрич., магн. и хим. св-ва в-ва. Удаление Э. из нейтрального атома или молекулы на бесконечность приводит к появлению положит. иона; присоединение Э.- к отрицат. иону; миним. энергия, необходимая для удаления Э. либо выделяющаяся при присоединении Э.,- важная характеристика частицы, определяющая ее окислит.-восстановит. способность (см. Потенциал ионизации, Сродство к электрону).
В химии с Э. связывают образование разл. квантовых состояний молекул. Согласно адиабатическому приближению Э. молекулы движутся в фиксир. поле ядер, к-рое считается внешним по отношению к системе Э. Возникновение хим. связи между атомами обусловлено более сильным понижением электронной энергии системы при сближении атомов по сравнению с увеличением энергии отталкивания ядер. Анализ энергии системы Э. при разл. геом. конфигурациях ядер (см. Поверхность потенциальной энергии )позволяет судить о наиб. стабильных (равновесных) конфигурациях молекул, относит. стабильности разл. конформеров, колебат.-вращат. уровнях для каждого из электронных состояний и, что весьма важно,- о возможных путях и механизмах превращений хим. соед. (см. Реакционная способность). Распределение электронной плотности в в-вах - реагентах и изменение этого распределения при хим. взаимод. учитывается при изучении динамики элементарного акта р-ции.
Ценную информацию о строении молекул в разл. квантовых состояниях дает изучение углового распределения Э., выбиваемых из молекул при разл. физ. воздействиях, напр. при облучении квантами достаточно высокой энергии либо при столкновениях с Э. (см. Фотоэлектронная ). Наличие у Э. спина, приводящее к существованию электронных состояний молекул разл. мультиплетности, и связанного со спином магн. момента позволяет изучать расщепление мультиплетных состояний в магн. поле (см. Электронный парамагнитный резонанс). Со спином Э. связаны и различие св-в диа- и парамагнетиков в магн. поле, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и т. д. Св-ва мн. материалов, в частности металлов и им подобных соед., определяются системой электронов, образующих своего рода электронный газ (см. Металлическая связь ).С коллективными состояниями системы электронов связано возникновение сверхпроводящего состояния в-ва (см. Сверхпроводники). Управляемые потоки Э. широко используют в технике, напр. в вакуумной электронике, а создаваемые в ускорителях потоки электронов высокой энергии - в исследованиях пов-сти твердых тел. В конденсир. среде Э. может быть захвачен молекулами среды и существовать в таком состоянии длительное время, напр. в р-рах щелочных металлов в аммиаке в отсутствие кислорода - в течение неск. месяцев (см. Сольватированный электрон).

Лит.: Андерсон Д., Открытие электрона, пер. с англ., М., 1968; Т оме он Г. П., "Успехи физ. наук", 1968, т. 94, в. 2, с. 361-70; Бейзер А., Основные представления современной физики, пер. с англ., М., 1973; Салем Л., Электроны в химических реакциях, пер. с англ., М., 1985; Пономарев Л. И., Под знаком кванта, 2 изд., М., 1989.

Н. Ф. Степанов.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ЭЛЕКТРОН" в других словарях:

У этого термина существуют и другие значения, см. Электрон (значения). «Электрон 2» «Электрон» серия из четырёх советских искусственных спутников Земли, запущенных в 1964 году. Цель … Википедия

Электрон - (Новосибирск,Россия) Категория отеля: 3 звездочный отель Адрес: 2 ой Краснодонский Переулок … Каталог отелей

- (символ е, е), первая элем. ч ца, открытая в физике; матер. носитель наименьшей массы и наименьшего электрич. заряда в природе. Э. составная часть атомов; их число в нейтр. атоме равно ат. номеру, т. е. числу протонов в ядре. Заряд (е) и масса… … Физическая энциклопедия

Электрон - (Москва,Россия) Категория отеля: 2 звездочный отель Адрес: Проспект Андропова 38 строение 2 … Каталог отелей

Электрон - (e , e) (от греческого elektron янтарь; вещество, легко электризующееся при трении), стабильная элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом e=1,6´10 19 Кл и массой 9´10 28 г. Относится к классу лептонов. Открыт английским физиком… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

- (е е), стабильная отрицательно заряженная элементарная частица со спином 1/2, массой ок. 9.10 28 г и магнитным моментом, равным магнетону Бора; относится к лептонам и участвует в электромагнитном, слабом и гравитационном взаимодействиях.… …

- (обозначение е), устойчивая ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА с отрицательным зарядом и массой покоя 9,1310 31 кг (что составляет 1/1836 от массы ПРОТОНА). Электроны были обнаружены в 1879 г. английским физиком Джозефом Томсоном. Они движутся вокруг ЯДРА,… … Научно-технический энциклопедический словарь

Сущ., кол во синонимов: 12 дельта электрон (1) лептон (7) минерал (5627) … Словарь синонимов

Искусственный спутник Земли, созданный в СССР для изучения радиационных поясов и магнитного поля Земли. Запускались парами один по траектории, лежащей ниже, а другой выше радиационных поясов. В 1964 запущено 2 пары Электронов … Большой Энциклопедический словарь

ЭЛЕКТРОН, элктрона, муж. (греч. elektron янтарь). 1. Частица с наименьшим отрицательным электрическим зарядом, образующая в соединении с протоном атом (физ.). Движение электронов создает электрический ток. 2. только ед. Легкий магниевый сплав,… … Толковый словарь Ушакова

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ИОННЫХ
И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
1.1. Свойства электрона
Электрическое поле в электронных приборах ускоряет или тор-
мозит движение электронов. Пусть на электрон е , находящийся в
электрическомполеснапряжённостьюЕ , действуетсилаF (рис. 1.1)
	F = − eE,
направленная против силы поля.
Согласно второму закону Ньютона, сила F равна произведению
массы электрона m на ускорениеa , сообщаемое электрону силойF
в поле с напряжённостью Е :
F = ma.
Из (1.1) и (1.2) ускорение элек-
a = Ee ,
из уравнения (1.3) видно, что c из-
менениемнапряжённостиэлектри-		Рис. 1.1. Электрон в однородном
ческого поля изменяется ускоре-		электрическом поле
ниеэлектрона. Крометого, присо-
впадениисилыполяснаправлениемначальнойскоростиv 0			электрон
движется ускоренно и приобретает наибольшую скорость и кинети-
ческую энергию в конце своего пути.
Скорость v электрона найдём исходя из известных положений
физики. Во-первых, работа сил поля по перемещению в нём элект-

рона из точки А в точку Б представляет собой произведение заряда
электрона е на разность потенциалов этих точек:
W e = (− e )(U А − U Б ).
Так как U Б >U A , то
	U А− U Б= − U .
Следовательно, работа
We = (e)(− U) = eU.
Во-вторых, по закону сохранения энергии, работаW e , затрачен-
ная полем на перемещение электрона, равна приращению кинети-
ческойэнергииэлектрона, перемещающегосявэлектрическомполе:
W = m (v 2− v 2) / 2 .
Принимая начальную скорость v 0 = 0, из (5) находим значение
конечной скорости электрона
	2 W e=	2 Ue .
Скоростьэлектронавэлектронныхприборахзначительномень-
ше скорости света, поэтому соотношение величин e /m ≈ e /m 0
	v ≈ 600
Из (1.9) видно, что скорость движения электрона в электриче-
ском поле (км/с) зависит только от разности потенциалов между
начальной и конечной точками пути, пройденного электроном, и
не зависит от формы пути. Иногда скорость электрона измеряют в
вольтах. Например: скоростьэлектрона100 В. Этозначит, чтоэлек-
тронприобрёлтакуюскорость, пройдяразностьпотенциалов100 В.
Если электрон начинает своё движение из состояния покоя, он
будет двигаться равноускоренно, прямолинейно против силовых
линий электрического поля, поглощая энергию из поля. Электри-
ческое поле для электрона является ускоряющим.
Если начальная скорость совпадает с направлением силовых
линийэлектрическогополя, такоеполедляэлектронаявляетсятор-
мозящим. Скорость электрона будет уменьшаться, энергия элект-
рона также будет уменьшаться (будет возвращаться полю). Если

позволят размеры поля, электрон остановится, а затем начнёт двигаться против силовых линий этого поля.

Еслиначальнаяскоростьнаправленапротивсиловыхлинийэлектрического поля, такое поле для электрона является ускоряющим. Положительныезарядыэлектрическоеполеперемещаетпонаправлению силовых линий поля.

1.2. Виды электронной эмиссии

Явление испускания электронов с поверхности твёрдого тела называют электронной эмиссией, а сам источник электронов - эмиттером. В зависимости от способов внешнего энергетического воздействиянаэлектроны, вызывающихихвыходизэмиттера, различают несколько видов электронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия возникает в результате нагрева эмиттера. С повышением температуры возникают тепловые колебания решёткитвёрдоготела. Засчётэтойэнергиитепловоговозбуждениячасть электроноввыходитизэмиттера, образуятокэмиссии. Чемвышетемпература эмиттера, тем больше электронов приобретает такую энергию, вследствие чего возрастает ток термоэлектронной эмиссии. Минимальная температура, при которой появляется ток эмиссии, называется критической. Она зависит от материала эмиттера.

Вторичная электронная эмиссия - испускание вторичных элек-

тронов с поверхности эмиттера при облучении его потоком первичных электронов. Первичный электронный поток, падающий на вторичный эмиттер, частично отражается от его поверхности, а частично проникает вглубь. Здесь первичные электроны сталкиваютсясэлектронамикристаллическойрешёткиэмиттера, отдаютим часть своей энергии, возбуждая их. Часть возбуждённых электронов выходит во внешнюю среду, эти электроны являются вторичными.

Эффективность вторичного эмиттера оценивается коэффициентом вторичной эмиссии σ , равным отношению числа вторичных электроновn 2 (или токаI 2 ) к числу первичных электроновn 1 (или токаI 1 ).

σ = n 2/ n 1= I 2/ I 1

Эмиссия под действием тяжёлых частицаналогична вторичной электронной эмиссии. Такими частицами могут быть положительныеионы. Приудареобэмиттер(катод) частицыотдаютчастьэнергииэлектронам. Еслиполнаяэнергия, сообщённаяэлектрону, больше, чем работа выхода, возникает эмиссия электронов.

Электростатическая электронная эмиссия (автоэлектронная)

возникает с поверхности твёрдого или жидкого тела под действием внешнего ускоряющего электрического поля с высокой напряжённостью (107 В/м). Чем больше напряжённость поля, тем больше ток автоэлектронной эмиссии.

Фотоэлектронная эмиссия возникает при облучении эмиттера световым потоком. Эффективность данного вида эмиссии зависит от длины волны (обратная зависимость) и от величины светового потока (зависимость прямая).

Можно сравнить с облачком. Это связано с тем, что электроны обладают свойствами не только частиц, «кусочков» материи, но и свойствами . Электронные облачка слоями окружают ядро и расположены на строго определённых от него расстояниях. Учёные долго не могли объяснить, почему промежутки между ядром и электронами так строго определены и почему вообще каждый атом со всеми его электронными оболочками имеет всегда одни и те же размеры. Ответ на эту загадку тоже связан, как выяснилось, с волновыми свойствами электронов, с тем, что все части атома имеют свои постоянные места.

Но не думай, что электроны навечно закреплены на этих местах. Нет, они могут перескакивать с одной оболочки на другую. При этом происходят удивительные вещи.

Если электрон удаляется от ядра, его возрастает, если приближается- убывает. Это изменение энергии происходит не постепенно, а внезапно, скачком. Энергия прибавляется или убавляется совершенно определёнными порциями, которые называются квантами. Значит, перескакивая ближе к ядру, электрон выделяет один квант энергии, а чтобы уйти дальше от ядра, он должен, наоборот, получить откуда-то, «поглотить» один квант.

Что же это за кванты? Если ты уже читал рассказ « », то, вероятно, обратил внимание, что свет - это одновременно и волны, и частицы, которые носят название фотонов. Вот фотоны - это и есть кванты света, то есть наименьшие порции излучения.

Теперь тебе, должно быть, стало понятнее то, о чём коротко упомянуто в рассказе о свете, понятнее, как происходит излучение и поглощение света. Перескакивая ближе к ядру, электроны излучают свет. А когда вещество поглощает свет, они перескакивают на орбиты дальше от ядра. При этом электроны обогащаются энергией, и вещество нагревается. Чем энергичнее электроны движутся, тем чаще совершают скачки, тем выше температура тела. Вот почему, поглощая много света, вещество нагревается сильнее.

У каждого вещества своё расстояние между электронными оболочками и, значит, своя величина квантов, своя длина излучаемых световых волн, то есть свой цвет световых волн. И поэтому же каждое вещество лучше всего поглощает какие-то определённые лучи: одно - красные, другое - зелёные, а третье - невидимые ультрафиолетовые.

Электроны не только перескакивают с орбиты на орбиту, иногда они совсем отрываются от атома. Например, в металле все атомы отдают часть своих электронов «в общий котёл». Эти свободные электроны движутся между атомами, переносят и электрический ток.

Наконец, электроны порой вообще покидают своё вещество, тогда они могут лететь в пространстве с огромной скоростью. И тут опять проявляется сложная, противоречивая природа электрона.

Экран телевизора светится потому, что изнутри на него направлен электронный луч. Этот луч можно опускать и поднимать, сдвигать вправо или влево. Электроны при этом ведут себя как частицы, которые послушно летят точно туда, куда их посылают.

Такой же поток электронов будет двигаться совсем иначе, если его направить внутрь вещества. Пролетая между атомами или приближаясь к ним, этот поток может огибать препятствия, как волны на воде. Электрон, как всегда, непостоянен: то он похож на частицу, то на волну. Это зависит от размеров предметов, среди которых он движется. Телевизионная трубка относительно велика- там электрон - частица. Расстояние между атомами вещества несравнимо меньше - там электрон скорее волна.

Чтобы получить поток электронов, надо, например, нагреть вещество, как нагревают катод электронной лампы (об этом говорится в рассказах «Радио» и « »). Это значит, что надо затратить энергию. И от атома оторвать электрон часто совсем непросто, для этого нужна энергия - ведь электроны довольно прочно удерживаются в атоме.

Ты можешь спросить: а что держит их в атоме? Почему они не улетают прочь? Напомним: и электроны, и ядро имеют электрические заряды, и притом не одинаковые, а разные: ядро заряжено положительно, а электроны - отрицательно. Такие разноимённые, как их называют, заряды притягивают друг друга.

Электрон - это как бы единица отрицательного электричества, он имеет самый маленький из всех возможных отрицательных зарядов. Если ты прочтёшь рассказ « », увидишь, какую пользу приносит людям это свойство электрона, и узнаешь, как родилось его имя.

<--

-->

Содержание статьи

ЭЛЕКТРОН, элементарная частица с отрицательным электрическим зарядом, входящая в состав всех атомов, а следовательно, и любого обычного вещества. Это – самая легкая из электрически заряженных частиц. Электроны участвуют почти во всех электрических явлениях. В металле часть электронов не связана с атомами и может свободно перемещаться, благодаря чему металлы хорошо проводят электричество. В плазме, т.е. ионизованном газе, положительно заряженные атомы также перемещаются свободно, но, имея гораздо большую массу, движутся значительно медленнее электронов, а потому вносят меньший вклад в электрический ток. Благодаря малой массе электрон оказался частицей, наиболее вовлеченной в развитие квантовой механики, частной теории относительности и их объединение – релятивистскую квантовую теорию поля. Считается, что в настоящее время полностью известны уравнения, описывающие поведение электронов во всех реально осуществимых физических условиях. (Правда, решение этих уравнений для систем, содержащих большое число электронов, таких, как твердое тело и конденсированная среда, все еще сопряжено с трудностями.)

Все электроны тождественны и подчиняются статистике Ферми – Дирака . Это обстоятельство выражается в принципе Паули, согласно которому два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии. Одно из следствий принципа Паули заключается в том, что состояния наиболее слабо связанных электронов – валентных электронов, определяющих химические свойства атомов, – зависят от атомного номера (зарядового числа), который равен числу электронов в атоме. Атомный номер равен также заряду ядра, выраженному в единицах заряда протона е . Другое следствие состоит в том, что электронные «облака», окутывающие ядра атомов, сопротивляются их перекрытию, вследствие чего обычное вещество обладает свойством занимать определенное пространство. Как и полагается элементарной частице, число основных характеристик электрона невелико, а именно масса (m e » 0,51 МэВ » 0,91Ч 10 –27 г), заряд (- e » - 1,6Ч 10 –19 Кл) и спин (1 / 2 ћ » 1/ 2 Ч 0,66Ч 10 –33 ДжЧ с, где – постоянная Планка h , деленная на 2p ). Через них выражаются все остальные характеристики электрона, например магнитный момент (» 1,001m 3 » 1,001Ч 0,93Ч 10 –23 Дж/Тл), за исключением еще двух констант, характеризующих слабое взаимодействие электронов (см . ниже ).

Первые указания на то, что электричество не является непрерывным потоком, а переносится дискретными порциями, были получены в опытах по электролизу. Результатом явился один из законов Фарадея (1833): заряд каждого иона равен целому кратному заряда электрона, называемого ныне элементарным зарядом е . Наименование «электрон» вначале относилось к этому элементарному заряду. Электрон же в современном смысле слова был открыт Дж.Томсоном в 1897. Тогда было уже известно, что при электрическом разряде в разреженном газе возникают «катодные лучи», несущие отрицательный электрический заряд и идущие от катода (отрицательно заряженного электрода) к аноду (положительно заряженному электроду). Исследуя влияние электрического и магнитного полей на пучок катодных лучей, Томсон пришел к выводу: если предположить, что пучок состоит из частиц, заряд которых не превышает элементарного заряда ионов е , то масса таких частиц будет в тысячи раз меньше массы атома. (Действительно, масса электрона составляет примерно 1/1837 массы легчайшего атома, водорода.) Незадолго до этого Х.Лоренц и П.Зееман уже получили доказательства того, что электроны входят в состав атомов: исследования воздействия магнитного поля на атомные спектры (эффект Зеемана) показали, что у заряженных частиц в атоме, благодаря наличию которых свет взаимодействует с атомом, отношение заряда к массе такое же, как и установленное Томсоном для частиц катодных лучей.

Первая попытка описать поведение электрона в атоме связана с моделью атома Бора (1913). Представление о волновой природе электрона, выдвинутое Л.де Бройлем (1924) (и подтвержденное экспериментально К.Дэвиссоном и Л.Джермером в 1927), послужило основой волновой механики, разработанной Э.Шрёдингером в 1926. Одновременно на основании анализа атомных спектров С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком (1925) был сделан вывод о наличии у электрона спина. Строгое волновое уравнение для электрона было получено П.Дираком (1928). Уравнение Дирака согласуется с частной теорией относительности и адекватно описывает спин и магнитный момент электрона (без учета радиационных поправок).

Из уравнения Дирака вытекало существование еще одной частицы – положительного электрона, или позитрона, с такими же значениями массы и спина, как у электрона, но с противоположным знаком электрического заряда и магнитного момента. Формально уравнение Дирака допускает существование электрона с полной энергией либо і mс 2 (mс 2 – энергия покоя электрона), либо Ј – mс 2 ; отсутствие радиационных переходов электронов в состояния с отрицательными энергиями можно было объяснить, предположив, что эти состояния уже заняты электронами, так что, согласно принципу Паули, для дополнительных электронов нет места. Если из этого дираковского «моря» электронов с отрицательными энергиями удалить один электрон, то возникшая электронная «дырка» будет вести себя как положительно заряженный электрон. Позитрон был обнаружен в космических лучах К.Андерсоном (1932).

По современной терминологии электрон и позитрон являются античастицами по отношению друг к другу. Согласно релятивистской квантовой механике, для частиц любого вида существуют соответствующие античастицы (античастица электрически нейтральной частицы может совпадать с ней). Отдельно взятый позитрон столь же стабилен, как и электрон, время жизни которого бесконечно, поскольку не существует более легких частиц с зарядом электрона. Однако в обычном веществе позитрон рано или поздно соединяется с электроном. (Вначале электрон и позитрон могут на короткое время образовать «атом», так называемый позитроний, сходный с атомом водорода, в котором роль протона выполняет позитрон.) Такой процесс соединения называется электрон-позитронной аннигиляцией; в нем полная энергия, импульс и момент импульса сохраняются, а электрон и позитрон превращаются в гамма-кванты, или фотоны, – обычно их два. (С точки зрения «моря» электронов данный процесс представляет собой радиационный переход электрона в так называемую дырку – незанятое состояние с отрицательной энергией.) Если скорости электрона и позитрона не очень велики, то энергия каждого из двух гамма-квантов приблизительно равна mс 2 . Это характеристическое излучение аннигиляции позволяет обнаруживать позитроны. Наблюдалось, например, такое излучение, исходящее из центра нашей Галактики. Обратный процесс превращения электромагнитной энергии в электрон и позитрон называется рождением электрон-позитронной пары. Обычно гамма-квант с высокой энергией «конвертируется» в такую пару, пролетая вблизи атомного ядра (электрическое поле ядра необходимо, поскольку при превращении отдельно взятого фотона в электрон-позитронную пару были бы нарушены законы сохранения энергии и импульса). Еще один пример – распад первого возбужденного состояния ядра 16 О, изотопа кислорода.

Испусканием электронов сопровождается один из видов радиоактивности ядер. Это бета-распад – процесс, обусловленный слабым взаимодействием, при котором нейтрон в исходном ядре превращается в протон. Наименование распада происходит от названия «бета-лучи», исторически присвоенного одному из видов радиоактивных излучений, которое, как потом выяснилось, представляет собой быстрые электроны. Энергия электронов этого излучения не имеет фиксированного значения, поскольку (в соответствии с гипотезой, выдвинутой Э.Ферми) при бета-распаде вылетает еще одна частица – нейтрино, уносящая часть энергии, выделяющейся при ядерном превращении. Основной процесс таков:

Нейтрон ® протон + электрон + антинейтрино.

Испускаемый электрон не содержится в нейтроне; появление электрона и антинейтрино представляет собой «рождение пары» из энергии и электрического заряда, освобождающихся при ядерном превращении. Существует также бета-распад с испусканием позитронов, при котором находящийся в ядре протон превращается в нейтрон. Подобные превращения могут также происходить в результате поглощения электрона; соответствующий процесс называется К -захватом. Электроны и позитроны испускаются при бета-распаде и других частиц, например мюонов.

Роль в науке и технике.

Быстрые электроны широко применяются в современной науке и технике. Они используются для получения электромагнитного излучения, например рентгеновского, возникающего в результате взаимодействия быстрых электронов с веществом, и для генерации синхротронного излучения, возникающего при их движении в сильном магнитном поле. Ускоренные электроны применяют и непосредственно, например в электронном микроскопе, или при более высоких энергиях – для зондирования ядер. (В таких исследованиях была обнаружена кварковая структура ядерных частиц.) Электроны и позитроны сверхвысоких энергий используются в электрон-позитронных накопительных кольцах – установках, аналогичных ускорителям элементарных частиц. За счет их аннигиляции накопительные кольца позволяют с высокой эффективностью получать элементарные частицы с очень большой массой.

Строение вещества.

Строение атома.

Атом – мельчайшая частица химического элемента, носитель всех его химических свойств. Атом неделим в химическом отношении. Атомы могут существовать как в свободном состоянии, так и в соединении с атомами того же элемента или другого элемента.
За единицу атомных и молекулярных масс в настоящее время приняли 1/12 часть массы атома углерода с атомной массой, равной 12 (изотоп ). Эту единицу называют углеродной единицей.

Масса и размеры атомов. Число Авогадро.

Грамм-атом, так же как и грамм-молекула любого вещества, содержит 6,023 10^23 атомов или соответственно молекул. Это число называется числом Авогадро (N0). Так, в 55,85 г железа, 63,54 г меди, 29,98 г алюминия, и т. п. находится число атомов, равное числу Авогадро.
Зная число Авогадро, нетрудно подсчитать массу одного атома любого элемента. Для этого гpaмм-атомную массу одного атома надо разделить на 6,023 10^23 . Так, масса атома водорода (1) и масса атома углерода (2) соответственно равны:

Исходя из числа Авогадро, можно оценить и объем атома. Например, плотность меди равна 8,92 г/см^3, а грамм-атомная масса 63,54 г. Значит, один грамм-атом меди занимает объем , и на один атом меди приходится объем .

Структура атомов.

Атом является сложным образованием и состоит из ряда более мелких частиц. Атомы всех элементов состоят из положительно заряженного ядра и электронов - отрицательно заряженных частиц очень малой массы. Ядро занимает ничтожно малую часть всего объема атома. Диаметр атома равен см, а диаметр ядра - см.
Хотя диаметр ядра атома в 100000 paз меньше диаметра самого атома, практически вся масса атома сосредоточена в его ядре. Отсюда следует, что плотность атомных ядер очень велика. Если бы удалось собрать 1 см3 атомных ядер, то его масса была бы около 116 млн. тонн.
Ядро состоит из протонов и нейтронов. Эти частицы имеют общее название - нуклоны.
Протон - - устойчивая элементарная частица с массой, близкой к углеродной единице. Заряд протона равен заряду электрода, но с обратным знаком. Если заряд электрона принимают равным -1, то заряд протона равен +1. Протон – это атом водорода, лишенный электрона.
Нейтрон – атомная оболочка, отрицательный заряд которой компенсирует положительный заряд ядра, обусловленный наличием в нем протонов.
Таким образом, количество электронов в атоме равно количеству протонов в его ядре.
Зависимость между числом протонов, числом нейтронов и массовым числом атома выражается уравнением: N=A-Z
Отсюда число нейтронов в ядре атома любого элемента равно разности между его массовым числом и числом протонов.
Так число нейтронов в ядре атома радия с массой 226 N=A-Z=226-88=138

Масса и заряд электрона.

Все химические процессы образования и разрушения химических соединений происходят без изменения ядер атомов элементов, входящих в состав этих соединений. Изменения претерпевают только электронные оболочки. Химическая энергия, таким образом, связанa с энергией электронов. Чтобы понимать процессы образования и разрушения химических соединений, следует иметь представления о свойствах электрона вообще и особенно о свойствах и поведении электрона в атоме.
Электрон - это элементарная частица, обладающая элементарным отрицательным электрическим зарядом, т. е. наименьшим могущим существовать количеством электричества. Заряд электрона равен эл. ст. ед. или кулона. Масса покоя электрона равна г, т.е. в 1837,14 раза меньше массы атома водорода. Масса электрона составляет углеродной единицы.

Модель атома по Бору.

В начале XX века М. Планк А. Эйнштейн создали квантовую теорию света, согласно которой свет является потоком отдельных квантов энергии, которую нecyт частицы света - фотоны .
Величина кванта энергии (E) различна для различных излучений и пропорциональна частоте колебаний :
,
где h - постоянная Планка.
М. Планк показал, что атомы поглощают или испускают лучистую энергию только отдельными вполне определенными порциями – квантами .
Пытаясь увязать закон классической механики с квантовой теорией датский ученый Н. Бор считал, что электрон в атоме водорода может находиться лишь на определенных - постоянных орбитах, радиусы которых относятся друг к другу как квадраты целых чисел Эти орбиты Н. Бором были названы стационарными.
Излучение энергии происходит только при переходе электрона с более дальней орбиты на более близкую к ядру орбиту. При переходе же электрона с болей близкой орбиты на более дальнюю энергия атомом поглощается.
, где - энергии электронов в стационарных состояниях.
При Ei > Ек энергия выделяется.
При Ei < Ек энергия поглощается.
Решение вопроса о распределении электронов в атоме основано на изучении линейчатых спектров элементов и их химических свойств. Спектр атома водорода почти полностью подтверждал теорию Н. Бора. Однако наблюдаемое расщепление спектральных линий у многоэлектронных атомов и усиление этого расщепления в магнитном и - электрических полях теория Н. Бора объяснить не могла.

Волновые свойства электрона.

Законы классической физики противопоставляют друг другу понятия «частица» и «волна». Современная физическая теория, получившие название квантовой, или волновой механики , показала, что движение и взаимодействие частиц малой массы - микрочастиц происходят по законам, отличным от законов классической механики. Микрочастице одновременно присущи некоторые свойства корпускул (частиц) и некоторые свойства волн. С одной стороны, электрон, протон или другая микрочастица движется и действует подобно корпускуле, например, при соударении с другой микрочастицей. С другой стороны, при движении микрочастицы обнаруживаются типичные для электромагнитных волн явления интерференции и дифракции.
Таким образом, в свойствах электрона (как и других микрочастиц), в законах его движения проявляются неразрывность и взаимосвязь двух качественно различных форм существования материи, вещества и поля. Микрочастицу нельзя рассматривать ни как обыкновенную частицу, ни как обыкновенную волну. Микрочастица обладает корпускулярно-волновым дуализмом.
Говоря о взаимосвязи вещества и поля, можно прийти к выводу, что, если каждой материальной частице присуща определенная масса, то, по-видимому, этой же частице должна отвечать и определенной длины, волна. Возникает, вопрос о взаимосвязи массы и волны. В 1924 году французский физик Луи де Бройль высказал предположение, что с каждым движущимся электроном (и вообще с каждой движущейся материальной частицей) связан волновой процесс, длина волны которого , где - длина волны в см(м), h - постоянная Планка, равная эрг. сек (), m - масса частицы в г (кг), - скорость частицы, в см/сек.
Из этого уравнения видно, что частица, находящаяся в покое, должна иметь бесконечно большую, длину волны и что длина волны уменьшается с увеличением скорости частицы. Длина волны у движущейся частицы большой массы очень мала и экспериментально ее определить пока нельзя. По тому мы говорим о волновых свойствах только микрочастиц. Электрон обладает волновыми свойствами. Это значит, что его движение в атоме можно описать волновым уравнением.
Планетарная модель строения атома водорода, созданная Н. Бором, который исходил из представления об электроне только как классической частице, не может объяснить целого ряда свойств электрона. Квантовая механика показала, что представление о движении электрона вокруг ядра по определенным орбитам подобно движению планет вокруг Солнца, следует считать несостоятельным.
Электрон, обладая свойствами волны, движется по всему объему, образуя электронное облако, которое для электронов, находящихся в одном атоме, может иметь различную форму. плотность этого электронного облака в той или иной части атомного объема неодинакова.

Характеристика электрона четырьмя квантовыми числами.

Основная характеристика, определяющая движение электрона в поле ядра,- это его энергия. Энергия электрона, как и энергия частицы светового потока - фотона, принимает не любые, а лишь определенные дискретные, прерывные или, как говорят, квантующиеся значения.
Движущийся электрон обладает тремя степенями свободы перемещения в пространстве (соответственно трем координатным осям) и одной дополнительной степенью свободы, обусловленной наличием у электрона собственного механического и магнитного моментов, которые учитывают вращение электрона вокруг своей оси. Следовательно, для полной энергетической характеристики состояния электрона в атоме необходимо и достаточно иметь четыре параметра. Эти параметры получили название квантовых чисел . Квантовые числа, так же как и энергия электрона, могут приникать не все, а лишь определенные значения. Соседние значения квантовых чисел различаются на единицу.

Главное квантовое число n характеризует общий запас энергии электрона или его энергетический уровень. Главное квантовое число может принимать значения целых чисел от 1 до . Для электрона, находящегося в поле ядра главное квантовое число может принимать значения от 1 до 7 (соответственно номеру периода в периодической системе, в котором находится элемент). Энергетические уровни обозначаются или цифрами в соответствии со значениями главного квантового числа, или буквами:

п
Обозначение уровня

Если, например, n=4, то электрон, находится на четвертом, считая от ядра атома, энергетическом уровне, или на N уровне.

Орбитальное квантовое числа l, которое иногда называют побочным квантовым числом, характеризует различное энергетическое состояние электрона данного уровня. Тонкая структура спектральных линий говорит о том, что электроны каждого энергетического уровня группируются в подуровни. Орбитальное квантовое число связано с моментом количества движения электрона при его движении относительно ядра атома. Орбитальное квантовое число определяет также форму электронного облака Квантовое число l может принимать все целочисленные значения от 0 до (п-1). Например, при n=4, l=0, 1, 2, 3. Каждому значению l соответствует определенный подуровень. Для подуровней применяются буквенные обозначения. Так, при l=0, 1, 2, 3 электроны находятся соответственно на s-, p-, d-, f- подуровнях. Электроны различных подуровней соответственно называют s-, p-, d-, f - электронами. Возможное число подуровней для каждого энергетического уровня равно номеру этого уровня, но не превышает четырех. Первый энергетический уровень (п=1) состоит из одного s-подуровня, второй (п=2), третий (п=3) и четвертый (п=4) энергетические уровни состоят соответственно из двух (s, p), трех (s, p, d) и четырех (s, p, d, f) подуровней. Больше четырех подуровней не может быть, так как значения l=0, 1, 2, 3 описываю электроны атомов всех 104 известных сейчас элементов.
Если l=0 (s-электроны), то момент количества движения электрона относительно ядра атома равен нулю. Это может быть только когда электрон поступательно движется не вокруг ядра, а от ядра к периферии и обратно. Электронное облако s-электрона имеет форму шара.

Магнитное квантовое число - c моментом количества движения электрона связан и его магнитный момент. Магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона. магнитное квантовое число характеризует магнитный момент электрона и указывает на ориентацию электронного облака относительного избранного направления или относительно направления магнитного поля. Магнитное квантовое число может принимать любые целые положительные и отрицательные значения, включая и ноль в пределах от – l до + l. Например, если l=2, то имеет 2 l+1=5 значений (-2, -1, 0, +1, +2). При l=3 число значений равно 2 l+1=7 (-3, -2, -1, 0, +1, +2, +3). Число значений магнитного квантового числа, которое равно 2 l+1, - это число энергетических состояний, в которых могут находиться электроны данного подуровня. Таким образом, s-электроны имеют лишь одно состояние (2 l+1=1), p-электроны – 3 состояния (2 l+1=3), d-, f-электроны – соответственно 5 и 7 состояний. Энергетические состояния принято обозначать схематически энергетическими ячейками, изображая их в виде прямоугольников, а электроны в виде стрелок в этих ячейках.

Спиновое квантовое число - характеризует внутреннее движение электрона - спин. Оно связано с собственным магнитным моментом электрона, обусловленным его движением вокруг своей оси. Это квантовое число может принимать только два значения: + 1/2 и -1/2, в зависимости от того, параллельно или антипараллельно магнитному полю, обусловленному движением электрона вокруг ядра, ориентируется магнитное поле спина электрона.
Два электрона (пара) с одинаковыми значениями квантовых чисел: n, I, но с противоположно направленными спинами ( ↓) называются спаренными или неподеленной парой электронов. Электроны с ненасыщенными спинами () называются неспаренными.

Принцип Паули, принцип наименьшей энергии, правило Гунда.
Распределение электронов в атомах элементов определяют три основных положения: принцип Паули, принцип наименьшей энергии и правило Гунда.

Принцип Паули. Изучая многочисленные, спектры атомов швейцарский физик В. Паули в 1925 году пришел к выводу, который получил название принципа или запрета Паули: „Двум электронам атома запрещено быть во всех отношениях похожими друг на друга" или, что то же самое, „в атоме не может быть даже двух электронов с одинаковыми значениями всех четырех квантовых чисел". Энергетические состояния электронов, характеризуемые одинаковыми значениями трех квантовых чисел: n, I и m1 принято обозначать энергетической ячейкой .
Согласно принципу Паули, в энергетической ячейке может быть только два электрона, причем с противоположными спинами
Нахождение в одной энергетической ячейке третьего электрона означало бы, что у двух из них все четыре квантовых числа одинаковы. Число, возможных состояний электронов (рис. .4) на данной подуровне равно числу значений магнитного квантового числа для этого подуровня, т. е. 21+ 1. Максимальное число электронов на этом подуровне, согласно принципу Паули будет 2(21+ 1). Таким образом, на s-подуровне возможно 2 электрона; на p-подуровне 6 электронов; на d-подуровне 10 электронов; на f-подуровне 14 электронов. Число возможных состояний электронов на каком-либо уровне равно квадрату главного квантового числа а максимальное число электронов на этом уровне

Принцип наименьшей энергии.

Последовательность размещения электронов в атоме должна отвечать наибольшей связи их с ядром, т. е. электрон, должен обладать наименьшей энергией. Поэтому электрону необязательно занимать вышележащий энергетический уровень, если в нижележащем уровне есть места, располагаясь на которых электрон будет обладать меньшей энергией.

Так как энергия электрона в основном определяется значениями главного n и орбитального / квантовых чисел, то сначала заполняются те подуровни, для которых сумма значений квантовых чисел n и / является меньшей. Например, запас энергии на подуровне 4s(n +/ = 4 +0 = 4) меньше, чем на 3d(n + /= 3 + 2 = 5); на 5s (n + / = 5 + 0 = 5) меньше, чем на 4d(n + / = 4 + 2 = 6); на 5р(п + / = 5 +1 =6) меньше, чем на 4f(n + 1 = 4+3 = 7). Если для двух уровней суммы значений n и / равны, то сначала идет заполнение подуровня с меньшим значением п. Например, на подуровнях 3d, 4p, 5s суммы значений n и / равны пяти, в этом случае сначала заполняются подуровни с меньшими значениями главного квантового числа n, т. е. в следующей последовательности: 3d-4р-5s.
Когда энергии близких подуровней очень мало отличаются друг от друга, встречаются некоторые исключения из этого правила. Так, подуровень 5d заполняется одним электроном 5dl раньше 4f; 6d1-2 раньше 5f.
Заполнение энергетических уровней и подуровней идет в следующей последовательности: ls→2s→2p→3s→3p→4s→ 3d → 4р→ 5s → 4d → 5р→ 6s →(5dl) →4f→ 5d→6p→ 7s→ (6d1-2)→5f→ 6d→7p

Правило Гунда.
Электроны в пределах данного подуровня располагаются сначала каждый в отдельной ячейке в виде неспаренных „холостых" электронов. Иными словами, при данном значении I электроны в атоме располагаются так, что суммарное спиновое число их максимально. Например, если в трех р-ячейках надо разместить три электрона, то каждый из них будет располагаться в отдельной ячейке таким образом:

Электронные формулы атомов и схемы.

Принимая во внимание рассмотренные положения, легко представить распределение электронов по энергетическим уровням и подуровням в атомах любого элемента. Это распределение электронов в атоме записывается в виде так называемых электронных формул. В электронных формулах буквами s, p, d, f обозначаются энергетические подуровни электронов; цифры впереди букв означают энергетический уровень, в котором находится данный электрон, а индекс вверху справа - число электронов на данном подуровне. Например, запись 5р3 оначает, что 3 электрона располагаются на р-подуровне пятого энергетического уровня.
Чтобы составить электронную формулу атома любого элемента, достаточно знать номер данного элемента в периодической системе и выполнить основные положения, которым подчиняется распределение электронов в атоме.
Пусть, например, нужно составить электронные формулы для атомов серы, кальция, скандия, железа и лантана. Из периодической таблицы определяем номера данных элементов, которые соответственно равны 16, 20, 21, 26, . Это значит, что на энергетических уровнях и подуровнях у атомов данных элементов содержится соответственно 16, 20, 21, 26, 57 электронов. Соблюдая принцип Паули и принцип наименьшей энергии, т. е. последовательность заполнения энергетических уровней и подуровней, можно составить электронные формулы атомов этих элементов:

Структура электронной оболочки атома может быть изображена и в виде схемы размещения электронов по энергетическим ячейкам.
Для атомов железа такая схема имеет следующий вид:

На этой схеме наглядно видно выполнение правила Гунда. На Зd-подуровне максимальное количество, ячеек (четыре) заполнено неспаренными электронами. Изображение структуры электронной оболочки в атоме в виде электронных формул и в виде схем наглядно не отражает волновых свойств электрона. Однако следует помнить, что для каждого s-, р-, d-, f-электрона характерно свое электронное облако. Различная форма электронного облака указывает на то, что электрон имеет неодинаковую вероятность нахождения в данной области пространства атома. В зависимости от значения магнитного квантового числа m1 ориентация электронного облака в пространстве будет также различной.