Поведение электронов

Электроны – это отрицательно заряженные субатомные частицы, притягивающиеся и орбитально вращающиеся вокруг положительно заряженного ядра атома. Они находятся в пространствах, связанных с энергетическими уровнями, называемыми оболочками, и дополнительно организованы в подоболочки и орбитали внутри каждой оболочки.

Электроны связаны с ядром и образуют орбиты

Электроны находятся в определённых местах вне ядра. Оболочка, в которой находится электрон, указывает на общий энергетический уровень электрона: те, которые находятся ближе к ядру, имеют меньше энергии, в то время как те, которые находятся дальше, имеют больше энергии. Подоболочка более точно описывает местоположение и уровень энергии электрона, а орбиталь описывает форму области вероятности, в которой электрон орбитально вращается вокруг ядра. Электроны, находящиеся ближе к ядру, имеют наименьшее количество энергии, и по мере увеличения расстояния от ядра, количество энергии, которое несёт электрон, также увеличивается. Чем дальше от ядра, тем больше пространства для орбиты электронов, поэтому внешние оболочки могут содержать больше электронов, чем внутренние оболочки. Самые внешние электроны атома находятся в валентной оболочке и называются валентными электронами. Эти электроны могут образовывать ионные и ковалентные связи с другими атомами.

Открытие электрона

В конце 1890-х годов Дж. Дж. Томсон провел серию экспериментов с использованием катодно-лучевых трубок, которые привели к открытию электрона - первой субатомной частицы. Катодно-лучевая трубка – это стеклянная трубка с двумя электродами, подключенными к источнику питания, подающему электричество. Внутреннее пространство трубки освобождается от большей части воздуха. Когда напряжение подается на электроды, пучок частиц движется от отрицательно заряженного катода к положительно заряженному аноду. У анода есть маленькое отверстие, чтобы лучи могли проходить. Фосфорное покрытие на противоположном конце трубки светится, когда на него попадают катодные лучи.

Томсон направил катодный луч между двумя металлическими пластинами, одна из которых имела положительный заряд, а другая – отрицательный, и измерил положение луча на дальнем конце трубки. Когда луч проходил между двумя пластинами, он отклонялся от отрицательно заряженной пластины, сгибаясь в направлении положительно заряженной пластины. Поскольку одинаковые заряды отталкиваются, а разноимённые притягиваются, это указывало на то, что частицы в катодном луче обладали отрицательным зарядом.

Дальнейшие эксперименты для вычисления отношения массы к заряду катодных частиц показали, что масса каждой отрицательно заряженной частицы была около 1/2000 массы любого известного атома. Из-за этого Томсон сделал вывод, что в любом данном атоме должно быть много электронов. Позже, открытие протонов и нейтронов объяснило распределение массы атома и его общий нейтральный заряд.

Адаптированная версия текста Openstax, Chemistry 2e, Section 6.3: Development of quantum theory.