אלקטרון

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

אלקטרון
מסלולי האלקטרונים הראשונים של אטום מימן נראים כקווים מצטלבים עם עוצמת הסתברות מקודדת בצבעים.
הרכב:	חלקיק אלמנטרי
סטטיסטיקה:	פרמיון
קבוצת שיוך:	לפטון
דור:	ראשון
חלקיק:	אלקטרון
תכונות
מסת מנוחה:	‎‎9.11×10^-31‎ kg ‎0.51 MeV/c²
מטען חשמלי:	‎- e
ספין:	‎1/2 ħ
מטען צבע:	אין
אינטראקציות:	כבידה, אלקטרומגנטיות, אינטראקציה חלשה
היסטוריה
נצפה?	כן
שנת גילוי:	1897

האלקטרון (סימונו המדעי ^-e) הוא חלקיק תת-אטומי. במבנה הבסיסי של האטום, האלקטרונים מקיפים את גרעין האטום שמכיל את הפרוטונים והנייטרונים. מטענו החשמלי של האלקטרון שלילי, ושווה בגודלו לזה של הפרוטון. מסתו זניחה ביחס למסת הפרוטון או הנייטרון (יחס של 1:1833 בקירוב). האלקטרון נחשב לחלקיק יסודי (כלומר לא ידוע על קיומו של מבנה פנימי לאלקטרון), והוא מסווג על-פי תכונותיו לקבוצת חלקיקים תת-אטומיים הקרויה לפטונים.

הולכה חשמלית במוצקים מתבצעת על ידי אלקטרונים, כלומר הם מהווים את נושאי המטען החשמלי בזרם חשמלי במוצקים, ובפרט במוליכים מתכתיים, שם ההולכה יעילה במיוחד, בעזרת מנגנון של אלקטרונים חופשיים.

לאלקטרון יש ספין שערכו 1/2, מה שאומר שהוא פרמיון, כלומר - מציית לעקרון האיסור של פאולי.

במכניקת הקוונטים, האלקטרון מתואר על ידי משוואת דיראק. במודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים, הוא יוצר זוג יחד עם נייטרינו אלקטרוני, תוך שהם מגיבים דרך הכוח הגרעיני החלש. לאלקטרון יש שני שותפים נוספים, עם אותו מטען אך מסה גבוהה בהרבה: המיואון והטאו.

האנטי-חלקיק של האלקטרון הוא הפוזיטרון. לפוזיטרון יש מטען חשמלי השווה בגודלו לזה של האלקטרון, אבל בניגוד לאלקטרון, מטענו חיובי. גם המסה והספין שלו שווים לאלה של האלקטרון. כשאלקטרון ופוזיטרון נפגשים הם עשויים לאיין זה את זה, ולשחרר שתי קרני גמא או פוטונים (לפי המודל החלקיקי) הנעים בכיוונים מנוגדים, כשלכל אחת אנרגיה של 0.511 מא"ו. בתהליך כזה שחרור של קרן גמא אחת או פוטון אחד איננו אפשרי, משום שהוא מנוגד לחוק שימור התנע הקווי, התקף גם לחלקיקים יסודיים. תוצא (אפקט) זה אושר בניסויים בתא ערפל.

ישנם פיזיקאים הטוענים שהאלקטרון הוא חור שחור זעיר, משום שגודלו הנקודתי מחייב אותו להיות כלוא בתוך רדיוס שוורצשילד המתאים למסתו. מצד שני, התנהגותו של האלקטרון אינה מתאימה להתנהגות הצפויה של חור שחור; אלקטרון איננו "מתאדה" כתוצאה מפליטת קרינת הוקינג ושני אלקטרונים לא יכולים להתאחד לאלקטרון גדול יותר.

[עריכה] תכונות

[עריכה] דואליות

בהתאם להשערת דה ברויי, לאלקטרונים, כמו לחלקיקים אחרים, יש הן תכונות של חלקיק והן של גל (דואליות גל-חלקיק). עקב מסתם הנמוכה, תכונותיהם הגליות יכולות להימדד בניסויים שונים. אלקטרון הקשור לגרעין מתנהג כגל עומד (ראו מכניקה קוונטית).

[עריכה] חשמל

לאלקטרון יש מטען חשמלי שלילי של C $\ 1.6\cdot\mbox{10}^{-19}$ , ומסה של Kg $\ 9.11\cdot\mbox{10}^{-31}$ , או $\ 0.51 \mbox{MeV}/\mbox{c}^2$ , שהם החלק ה-1/1836 ממסת הפרוטון.

מעריכים שמספר האלקטרונים ביקום הוא $\ 10^{79}$ . כשאלקטרונים נעים, חופשיים מגרעיני אטומים, וישנה זרימה, הזרימה נקראת חשמל או זרם חשמלי. ניתן להשוות זאת לקבוצת כבשים הנעה יחד צפונה, בעוד שהרועים נשארים מאחור. ניתן למדוד מטען חשמלי בעזרת אלקטרומטר. זרם חשמלי ניתן למדוד בעזרת גלוונומטר.

מה שנקרא "חשמל סטטי" אינו זרימת אלקטרונים. בשמו המדויק יותר, "מטען סטטי", הוא מתייחס לגוף שיש בו יותר או פחות אלקטרונים ממה שדרוש כדי לאזן את המטען החיובי של הגרעין. כשיש עודף אלקטרונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון שלילית". כאשר יש פחות אלקטרונים מאשר פרוטונים, נאמר על הגוף שהוא "טעון חיובית". כאשר מספר האלקטרונים ומספר הפרוטונים שווה, נאמר על הגוף שהוא "נייטרלי".

[עריכה] רמות עירור

בשנת 1913 הציע המדען נילס בוהר, שלאלקטרונים יש מספר רמות אנרגיה קבועות שבו הם יכולים להיות. הוא הסביר זאת בכך שהאנרגיה היא תוצאה של התנע הזוויתי של תנועת האלקטרון, ובכך שיש מספר מסלולים (או "קליפות") קבוע לכל סוג אטום, שבו האלקטרונים יכולים להיות, כלומר שהאלקטרונים נמצאים תמיד באחד ממספר קליפות ובמרחק קבוע מהגרעין. הרעיון דומה למרחקים הקבועים של כדורי הלכת במערכת השמש, ולכן יש המכנים גישה זו "הגישה הפלנטרית". כמו כן הוא הציע שלכל אטום, אם לא הופעל עליו כח כלשהו, ישנם אלקטרונים הנמצאים בכל אחד מרמות העירור הקבועות הללו. על ידי בליעת פוטון או תוך שחרור פוטון, האלקטרון יכול לעבור מרמת עירור אחת לשנייה. בכך הסביר בוהר את קווי הספקטרום האופייניים למימן. בשנים מאוחרות יותר הוסבר הדבר בפירוט. אלקטרון הסופג אנרגיה מפוטון, משדה אלקטרומגנטי או מהתנגשות עם חלקיקים אחרים (בדרך כלל אלקטרונים גם הם) הופך למצב מעורר. הוא נשאר במצב זה זמן קצר ביותר, וחוזר לרמה נמוכה יותר, תוך שחרור פוטון (במקרה של אטום סתמי - ללא מטען), או תוך שחרור אלקטרון אחר (לעתים במקרה של יון).

[עריכה] קשרים קוולנטיים, וספין

בשנת 1916 המדען גילברט לואיס ניוטון הציע דגם המסביר את הקשר הכימי המצוי בין אטומים בהופכם לפרודה בכך ששני האטומים משתפים אלקטרון ברמה החיצונית להם. ב-1919 הציע המדען האמריקני אירווינג לנגמאיר פירוש לדגם של לואיס, בכך שהאלקטרונים נמצאים תמיד בצמדים בכל רמת עירור, כאשר לכל אחד מהאלקטרונים אזור אליפטי קבוע, ושהקשרים בין האטומים נוצרים על ידי שיתוף אחד עד ארבעה אזורים אלו. ב-1923 וולטר הייטלר ופריץ לונדון השלימו את ההסבר בתיאור מדויק על פי תורת הקוונטים שהייתה אז בחיתוליה. ב-1924 המדען האוסטרי וולפגנג פאולי הסביר את המבנה הבדיד של רמות העירור האלקטרוניים בנוסחה בעלת ארבעה מקדמים, המגדירים כל מצב אנרגיה קוואנטית של האטום. לפי נוסחה זו, יכול להיות אך ורק אלקטרון אחד בכל מצב אנרגיה קוואנטית. תנאי זה נקרא מאוחר יותר "עקרון ההדרה של פאולי". המקדם האחרון בנוסחה יכל לקבל שני מצבים, וההסבר הפיזיקלי לכך ניתן רק בשנת 1927 בידי פרופסור שמואל אברהם גודשמיד‏‏^[1] וצוותו, כאשר הציעו שלאלקטרון יש גם אנרגיה השמורה בסיבוב שלו סביב צירו הוא. סיבוב זה יכול להיות באחד משני כיוונים. סיבוב זה נודע מאוחר יותר כ"ספין".

[עריכה] גילוי האלקטרון

מקור המושג "אלקטרון" הוא בגילוי של היוונים כי חומר שנקרא "ענבר" ששופשף בצמר משך אליו גופים אחרים. הפיזיקאי ג' ג' תומסון הושפע מעבודותיהם של ג'יימס מקסוול ווילהלם רנטגן בנושא שפופרת קתודית. הוא הסיק שהקרינה הנפלטת מקתודה מורכבת מחלקיקים טעונים מטען שלילי, שלהם הוא קרא "גופיפים" (corpuscles), ושהיום ידועים כאלקטרונים. קדם לו ג' ג'ונסון סטוני, שהעלה השערה בדבר קיומו של האלקטרון כיחידת מידה באלקטרוכימיה, אבל תומסון הבין שהאלקטרון הוא חלקיק תת-אטומי, הראשון שנתגלה. תגליתו התפרסמה ב-1897 ועוררה התרגשות בקהיליה המדעית, והובילה בסופו של דבר לזכייתו בפרס נובל לפיזיקה בשנת 1906.

[עריכה] כימיה

האלקטרונים משמשים ליצירת קשר קוולנטי, שהוא סוג של קשר כימי בין אטומים. הבסיס ליצירת קשר קוולנטי הוא הנטייה של אטומים מסוימים להגיע למצב נייטרלי בדומה לאטום גז אציל באמצעות הוספת אלקטרונים. נטייה זו מתאפיינת בתכונתם של האלקטרונים סביב האטום להתפרס באורביטלים (מסלולים), שבהם עשויים להיות שני אלקטרונים לכל היותר. ברמת האנרגיה הגבוהה ביותר בכל אטום (מלבד מימן והליום) נמצאים ארבעה אורביטלים, שבהם עשויים להתקיים אורביטלים של זוגות אלקטרונים, ואורביטלים של אלקטרונים חופשיים. (ראו הרחבה בערך קשר קוולנטי).

[עריכה] ראו גם

[עריכה] קישורים חיצוניים

מידע על האלקטרון מאתר ה-Particle Data Group
צמ"ד אונליין - מאגר מדע: חלקיקי החומר - האלקטרון סרטון עם הסברים.
צמ"ד אונליין - מאגר מדע: כיצד מודדים את מטענו של אלקטרון בודד? סרטון עם הסברים.

חלקיקים בפיזיקה - חלקיקים יסודיים - לפטונים

[עריכה] הערות שוליים

^ ‏באנגלית על גילוי הספין - גודשמיד מספר על עצמו.‏

[0] ‏באנגלית על גילוי הספין - גודשמיד מספר על עצמו.‏

[1]

אלקטרון

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

תוכן עניינים

[עריכה] תכונות

[עריכה] דואליות

[עריכה] חשמל

[עריכה] רמות עירור

[עריכה] קשרים קוולנטיים, וספין

[עריכה] גילוי האלקטרון

[עריכה] כימיה

[עריכה] ראו גם

[עריכה] קישורים חיצוניים

[עריכה] הערות שוליים

צפיות

כלים אישיים

חיפוש

ניווט

קהילה

תיבת כלים

שפות אחרות