התנהגות אלקטרונים

אלקטרונים הם חלקיקים תת-אטומיים בעלי מטען שלילי הנמשכים לגרעין המטען החיובי של אטום ומקיפים אותו. הם שוכנים בחללים הקשורים לרמות אנרגיה הנקראות קונכיות ומאורגנים עוד יותר לתת-קליפות ואורביטלים בתוך כל קונכייה.

אלקטרונים מקיפים את הגרעין

אלקטרונים נמצאים במקומות ספציפיים מחוץ לגרעין. הקליפה שבה שוכן אלקטרון מציינת את רמת האנרגיה הכללית של האלקטרון: לאלו הקרובים יותר לגרעין יש פחות אנרגיה, בעוד לאלו שנמצאים בחוץ יש יותר אנרגיה. התת-קליפה מתארת את מיקומו ורמת האנרגיה של האלקטרון בצורה מדויקת יותר, והאורביטל מתאר את צורתו של אזור הסתברות שבו אלקטרון מקיף את הגרעין. האלקטרונים, הקרובים ביותר לגרעין, הם בעלי כמות האנרגיה הנמוכה ביותר, וככל שהמרחק שלהם מהגרעין גדל, כך גם כמות האנרגיה שהאלקטרון נושא. רחוק יותר מהגרעין, יש יותר מקום לאלקטרונים להקיף כך שהקליפות החיצוניות יכולות להכיל יותר אלקטרונים מהקליפות הפנימיות. האלקטרונים החיצוניים ביותר של אטום שוכנים במעטפת הערכיות והם מכונים אלקטרונים ערכיים. אלקטרונים אלה יכולים ליצור קשרים יוניים וקולנטיים עם אטומים אחרים.

גילוי האלקטרון

בסוף שנות ה-90, ג'יי ג'יי תומסון ביצע סדרה של ניסויים באמצעות צינורות קרניים קתודיות שיובילו לגילוי האלקטרון - החלקיק התת-אטומי הראשון. שפופרת קרן קתודית היא שפופרת זכוכית עם שתי אלקטרודות המחוברות למקור חשמל המספק חשמל. ואקום מוציא את רוב האוויר מהפנים של הצינור. כאשר המתח מופעל על פני האלקטרודות, קרן של חלקיקים נעה מהקתודה הטעונה שלילי לאנודת האלקטרודה הטעונה חיובית. לאנודה יש חור קטן כך שהקרניים יכולות לעבור דרכה. ציפוי זרחן בקצה הנגדי של הצינור זוהר כאשר קרני הקתודה פוגעות בו.

תומסון כיוון את קרן הקתודה בין שני לוחות מתכת, אחד עם מטען חיובי ואחד עם מטען שלילי, ומדד את מיקום הקרניים בקצה הרחוק של הצינור. כאשר הקרן עברה בין שני הלוחות, היא הוסטה מהלוח הטעון שלילי, כשהיא מתכופפת לכיוון הלוח בעל המטען החיובי. מכיוון שמטענים דומים דוחים, ומטענים מנוגדים מושכים, הדבר הצביע על כך שלחלקיקים בקרן הקתודה יש מטען שלילי.

ניסויים נוספים לחישוב יחס המסה למטען של חלקיקי הקתודה גילו שהמסה של כל חלקיק בעל מטען שלילי היה בערך 1/2000 מהמסה של כל אטום ידוע. בגלל זה, תומסון הגיע למסקנה שחייבים להיות אלקטרונים רבים בכל אטום נתון. מאוחר יותר, גילוי הפרוטונים והנייטרונים יסביר את התפלגות האטומים של המסה והמטען הנייטרלי הכולל.

טקסט זה מותאם Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of quantum theory.