Электрон

Фундаментальные и квантовые свойства электрона

Частица проявляет фундаментальные и квантовые свойства.

К фундаментальным относятся масса (9,109*10-31 килограмм), элементарный электрический заряд (то есть минимальная порция заряда). Согласно тем измерениям, что проведены до настоящего времени, у электрона не обнаруживается никаких элементов, способных выявить его субструктуру. Но некоторые ученые придерживаются мнения, что он является точечной заряженной частицей. Как указано в начале статьи, электронный электрический заряд — это -1,602*10-19Кл.

Считается, что электроны имеют одинаковые физические свойства. Поэтому их перестановка, с точки зрения квантовой механики, не ведет к изменению системного состояния. Волновая функция электронов является антисимметричной. Поэтому ее решения обращаются в нуль тогда, когда одинаковые электроны попадают в одно квантовое состояние (принцип Паули).

Делимость электрического заряда

Хорошо известно, что молекулы и атомы в их нормальном состоянии не имеют электрического заряда. Поэтому мы не можем объяснить электризацию их движением. Однако если мы предположим, что частицы с электрическим зарядом существуют в природе, то мы должны обнаружить, что существует предел деления электрического заряда.

Согласно различным экспериментам, проведенным советским ученым Абрамом Федоровичем Иоффе и американским ученым Робертом Милликеном, было обнаружено, что существует заряженная частица с минимальным зарядом, который невозможно разделить.

В своих экспериментах они электризовали маленькие частицы цинковой пыли. Заряд пылинок меняли и вычисляли. Это было проделано несколько раз. При этом заряд оказывался каждый раз другим. Однако все изменения были кратны целому числу, большему, чем некоторый минимальный заряд (т.е. 2, 3, 4 и т.д.). Этот результат можно интерпретировать только следующим образом. Только наименьший заряд (или целое число таких зарядов) присоединяется к пылинке цинка или отсоединяется от нее. Этот заряд дальше уже не делится. Частица с наименьшим зарядом называется электроном.

Также в ходе опытов было установлено, что любая частица вещества либо электрически нейтральна, либо имеет заряд, кратный по модулю заряду электрона.

Что же такое электрон?

Электроны – это наиболее легкие частицы, обладающие электрическим зарядом. Наши знания о них до сих пор остаются во многом противоречивыми и неполными. Например, в современных представлениях они живут вечно, так как никогда не распадаются, в отличие от нейтронов и протонов (теоретический возраст распада последних превышает возраст Вселенной).

Электроны стабильны и обладают постоянным отрицательным зарядом е=1,6 х 10 -19 Кл. Их относят к семье фермионов и группе лептонов. Частицы участвуют в слабом электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Они находятся в составе атомов. Частицы, которые потеряли связь с атомами, – свободные электроны.

Масса электронов составляет 9,1 х 10 -31 кг и является в 1836 раз меньше массы протона. Они обладают полуцелым и спином, и магнитным моментом. Электрон обозначается буквой «е — «. Так же, но со знаком плюс, обозначается его антагонист – античастица позитрон.

Энергия альфа частицы. Энергия образования

Чтобы рассчитать энергию образования альфа-частицы, следует воспользоваться знаменитым уравнением Эйнштейна, которое связывает массу и энергию через одну из фундаментальных постоянных нашей Вселенной — скорость света. Это уравнение имеет вид: E = mc2, где E — энергия, m — масса, c — скорость света в вакууме.

Зная, что при образовании альфа-частицы масса ее компонентов уменьшается на 0,015 * 10-27кг, а также зная, что скорость света составляет 3 * 108м/с, получаем энергию, которая выделяется во время этого процесса. Она равна E = 0,015 * 10-27* 9 * 1016= 1,35 * 10-12Дж. В физике элементарных частиц принято энергии записывать в электрон-вольтах (эВ). Один электрон-вольт равен 1,602177 * 10−19Дж. Тогда энергия образования альфа-частицы равна 8,426 * 106эВ, или 8,426 МэВ (мегаэлектрон-вольт).

Чтобы понять, насколько велика эта энергия, можно провести простой расчет. Представим, что вся энергия образования альфа-частицы переводится на ее ускорение. Пользуясь уравнением Лоренца для нерелятивистских скоростей, то есть полагая, что кинетическая энергия-альфа частицы равна mv2/2, где v — скорость ее движения, получаем, что этой энергии образования будет достаточно, чтобы разогнать альфа-частицу до скорости 2 * 107м/c, что составляет 6,7 % от скорости света в вакууме. Отметим, что задавать вопрос о том, на сколько увеличится масса альфа-частицы при таких скоростях, не имеет смысла, поскольку увеличением ее массы можно пренебречь, так как она составит всего 0,015/6,68 * 100 = 0,2 %.

Энергетические уровни

Электронов в облаке вокруг атома ровно столько, сколько и протонов в его ядре. Все они находятся на разном расстоянии. Ближе всего к ядру расположены электроны с наименьшим количеством энергии. Чем больше энергии находится в частицах, тем дальше они могут находиться.

Но располагаются они не хаотично, а занимают конкретные уровни, которые вмещают только определенное число частиц. Каждый уровень обладает своим количеством энергии и разделяется на подуровни, а те, в свою очередь, на орбитали.

Для описания характеристик и расположения электронов на энергетических уровнях используются четыре квантовых числа:

n – главное число, определяющее запас энергии электрона (соответствует номеру периода химического элемента);
l – орбитальное число, которое описывает форму электронного облака (s — сферическая, p – форма восьмерки, d – форма клевера или двойной восьмерки, f – сложная геометрическая форма);
m – магнитное число, определяющее ориентацию облака в магнитном поле;
ms – спиновое число, характеризующее обращение электронов вокруг своей оси.

Кинетическая энергия электрона •

Скачать презентацию Кинетическая энергия электрона •

13 плотность состояний.ppt

Количество слайдов: 8

Кинетическая энергия электрона • закон дисперсии свободного электрона

Соотношение неопределенностей Принцип неопределенности Гейзенберга : произведение неопределенностей двух канонически сопряженных величин не может быть меньше постоянной Планка Соотношение неопределенностей характеризует область пространственной локализации микрочастицы при заданном интервале проекций импульсов

Для направления x соотношение неопределенностей имеет вид : произведение неопределенностей проекций координаты dх и импульса dрх на ось x для любой микрочастицы больше или равно постоянной Планка

Для трех пространственных координат соотношение неопределенностей Их произведение дает Определим фазовую ячейку в шестимерном пространстве координат-импульсов, «разрешенную» частице, следующим условием

Плотность электронных состояний Число фазовых ячеек d. Z в объеме координатного пространства d. V и в объеме трехмерного пространства импульсов dpxdpydpz равно Плотность фазовых ячеек (в единичном объеме трехмерного пространства) в объеме трехмерного пространства импульсов dpxdpydpz равна

• Найдем плотность фазовых ячеек dz внутри шарового слоя в пространстве импульсов. • Этот слой ограничен сферами с радиусами р + dp

Объем шарового слоя равен К инетическая энергия частицы свободной частицы равна полной энергии Е , так как потенциальная энергия свободной частицы равна нулю.

Число фазовых ячеек, приходящихся на интервал энергии d. E С учетом 2 -х спиновых состояний электронов число фазовых ячеек в единичном интервале энергии равно плотность электронных состояний Зависимость плотности состояний от энергии E свободных электронов

Масса электрона – мал золотник да дорог

Если навскидку попросить 100 человек назвать хотя бы три известные элементарные частицы, то, возможно, не все назовут все три, но никто не забудет назвать чемпиона по популярности — электрон. Маленький, самый легкий среди несущих заряд частиц, вездесущий и…, к сожалению, «отрицательный», он входит в состав любого вещества на Земле и уже этим заслуживает особое к себе отношение. Название частицы возникло еще в древней Греции от греческого слова «янтарь» — материал, который любили древние за его способность притягивать мелкие предметы. Затем, когда исследования электричества получили больший размах, термин «электрон» стал означать неделимую, а значит, и наименьшую единицу заряда.

Вечную жизнь электрону, как неотъемлемой частичке вещества, подарила группа физиков, руководимая Дж. Дж.Томсоном. В 1897 г. они, исследуя катодные лучи, определили, как относится масса электрона к его заряду, и установили, что это отношение не зависит от материала катода. Следующий шаг в познании природы электрона сделал Беккерель в 1900 г. В его эксперименте было доказано, что бета-лучи радия также отклоняются в электрическом поле, и у них отношение массы к заряду одинаковое с катодными лучами. Это стало неоспоримым доказательством того, что электрон – это «самостоятельный кусочек» атома любого вещества. А потом, в 1909 г., Роберт Милликен в опыте с капельками масла, которые падали в электрическом поле, сумел измерить электрическую силу, уравновешивающую силу тяжести. Тогда же стала известной величина элементарного, т.е. наименьшего, заряда:

eo = — 1,602176487(49) * 10-19 Кл.

Этого стало достаточно, чтоб была вычислена масса электрона:

me = 9,10938215(15) * 10-31кг.

Казалось бы, вот теперь порядок, все позади, но это было только начало длинного пути познания природы электрона.

Долгое время тупиком физики была еще не доказанная, но все более заявляющая о себе двуликая сущность электрона: его квантово-механические свойства указывали на частицу, а в экспериментах по интерференции электронных пучков на параллельных щелях проявлялась волновая природа. Момент истины настал в 1924 г., когда сначала Луи де Бройль наделил все материальное, и электрон тоже, волнами, названными его именем, а через 3 года Паули завершил формирование исходных понятий квантовой механики, описывающих квантовую природу частиц. Затем наступил черед Эрвина Шредингера и Поля Дирака – дополняя друг друга, они нашли уравнения для описания сущности электрона, в которых масса электрона и постоянная Планка, квантовые величины, нашли свое отражение через волновые характеристики — частоту и длину волны.

Безусловно, такое двуличие элементарной частицы имело далеко идущие последствия. Со временем стало понятно, что характеристики свободного электрона вне вещества (как пример — катодные лучи) — это совсем не то же самое, что у электрона в виде электрического тока в кристалле. Для свободного электрона его масса известна как «масса покоя электрона». Физическая природа различия масс электрона в разных условиях вытекает из того факта, что его энергия зависит от насыщения магнитным полем пространства, в котором он движется. Более глубокие «разборки» показывают, что величина магнитного поля движущихся в проводнике электронов, точнее, протекания тока в веществе, зависит не от величины заряда носителей тока, а от их массы. Но, с другой стороны, удельная энергия магнитного поля равна плотности кинетической энергии движущихся зарядов, а рост этой энергии фактически эквивалентен увеличенной массе носителей заряда, которую назвали «эффективная масса электрона». Аналитически было определено, что она больше массы свободного электрона в a/2λ раз, где a – расстояние между плоскостями, ограничивающими проводник, λ — глубина скин-слоя магнитного поля.

История открытия электрона учёными всего света

Эксперименты английского физика как основоположника электродинамики Фарадея (1791-1867) по электролизу, интерпретированные с точки зрения атомной теории материи, подразумевали, что электричество имеет атомную структуру. То есть электричество появляется в естественных единицах измерения.
В 1891 ирландский физик и математик Джордж Джонстон Стоуни (1826-1911) назвал эти единицы или ввел в науку термин “электрон”.
В 1894 году ирландцем Джозефом Лармором (1857-1942) была предложена электронная теория для преодоления определенных эмпирических и концептуальных проблем, с которыми столкнулась электромагнитная теория Максвелла. Электроны Лармора считались универсальными составляющими материи и были представлены в виде структур во всепроникающем эфире.
Аналогичная электромагнитная теория была предложена нидерландским физиком-теоретиком Хендриком Антуан Лоренц (1853-1928), который разработал классическую электронную теорию в электромагнетизме. Теория Лоренца включала предположение Максвелла о том, что электромагнитные явления представляют собой волновые процессы в эфире, и предположил, что эти явления обусловлены действием заряженных частиц. Лоренц назвал эти частицы “ионами”, в аналогии с ионами электролиза.
Решающим событием для развития теорий Лармора и Лоренца стало экспериментальное открытие Питера Зеемана (1865-1943). В 1896 году Зееман обнаружил, что спектральные линии натрия расширяются под воздействием магнитного поля ( Эффект Зеемана). Это была теория расщепления линий атомных спектровв магнитном поле. Опираясь на теорию Лоренца, он объяснил модификацию спектра натрия влиянием магнетизма на режим вибрации “ионов». По наблюдаемому расширению он смог рассчитать их отношение заряда к массе, которое, ко всеобщему удивлению, оказалось на три порядка больше, чем у электролитических ионов. Это было первым признаком того, что Лоренц ионы, так же как и электроны Лармора, были намного меньше обычных ионов. В 1899 году Лоренц изменил название своих “ионов” на “электроны”.
Электронные теории получили дополнительную поддержку в результате теоретического и экспериментального исследования катодных лучей. Это были исследования электрического разряда в газе при низком давлении. Природа этих лучей была предметом значительных дебатов где они были отождествлены с электроном. Споры утихли когда в 1897 году, Дж. Дж. Томсон (1856–1940) показал, что лучи состоят из “корпускул”, мельчайших заряженных частиц. Суть эксперимента состояла в исследовании газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ. По электрическим и магнитным отклонениям этих частиц при прохождении через газ он рассчитал отношение массы к заряду (m/е). Оказалось, что значение m/e было на три порядка меньше, известного ранее значения для иона водорода при электролизе.

Именно с 1897 года считается открытие электрона английским физиком Дж. Дж. Томсоном
В 1899 году Томсон сообщил об измерениях отношения массы к заряду частиц, полученных в результате фотоэффекта, а также термоэлектронной эмиссии. Эти измерения показали, что рассматриваемые частицы были идентичны составляющим катодных лучей.

Томсон сделал следующие выводы:

Атомы делимы, из них могут быть вырваны отрицательно заряженные частицы под действием определенных сил: электрических, удара частиц, ультрафиолетового света, тепла.
Вырванные частицы имеют одинаковую массу, несут одинаковый отрицательный заряд электричества и не зависят от материала.
Масса частиц меньше в 1000 раз чем масса атома водорода.
Более подходящий термин «электрон».

За исследование прохождения электричества через газ, которые привели к открытию электрона в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

Дж. Дж. Томсон

Французский физик Анри Беккерель (1852-1908) пришел к аналогичному выводу об идентичности недавно открытых β-лучей (рентген), которые, как было показано, были полностью сопоставимым с катодными лучами.

Таким образом, к концу девятнадцатого века электрон появился в различных теоретических и экспериментальных контекстах.

На заре электричества

Под удивительными свойствами, конечно же, понимается явление, когда взаимодействие предметов приводит к тому, что один из них словно начинает обладать свойством магнита — притягивать или отталкивать ряд прочих предметов вокруг. Все не раз видели искорки при, казалось, касании совершенно обыденного объекта, как, например, дверной ручки, или то, как праздничный шарик приклеивается к чьим-либо волосам.

О том, что материя обладает зарядом, люди и даже, вполне возможно, их далекие предки подозревают давно. Мы натыкались на кусочки железа, которые притягивались друг к другу, низменно показывая направление в сторону севера-юга. Каждый видел чудеса электростатического разряда в виде молнии на небе. Древние рыболовы знали, как выглядит рыба, которую не стоит трогать руками — коснись, и она бьется чем-то странным, что вызывает боль.

Электричество есть природа, но в течение десятков тысяч лет мы всего лишь играли роль пассивных наблюдателей, не имея ни малейшего понятия, откуда берутся все эти чудеса. Одно то, что в ряде мифологий присутствуют божества, повелевающие молнией (Тор — в скандинавской мифологии; Зевс — в древнегреческой; Юпитер — в древнеримской; Перун — в славянской; Укко — в карело-финской), говорит о том, что человек не мог объяснить наличие заряда в природе. Вместо, нам приходилось прибегать к антропоморфизму — переносить человеческий образ на явления вокруг и выдумывать богов. И уж тем более мы не могли предположить, что все феномены, от больно бьющейся рыбы до молнии, имеют общее происхождение.

Кстати. Египтяне и электро-рыбы!

Еще бы: такой сом способен вырабатывать напряжение до 450 В. Но прочих рыбок он все-таки не защищал, а ел, предварительно оглушая их мощным разрядом тока.

Первые основательные упоминания электростатических явлений зафиксированы лишь в 600 г. до нашей эры Фалесом, древнегреческим философом и математиком, также известным своей теоремой о пропорциональных отрезках. Ученый заметил, что янтарь, потертый о шерсть, может притягивать маленькие объекты наподобие пылинок. Правда Фалес на пару с Аристотелем полагали, что внутри янтарного камня просто сидит душа человека… а мех ее как бы пробуждает.

К сожалению, в течение более полутора тысяч лет подобными наблюдениями и ограничивались наши знания о заряде: мы находили его проявления нюансом забавным, судя по уровню научной письменности — не проводили особых экспериментальных исследований, а добрую часть электростатики приписывали сверхъестественному. Средневековых ученых и физиков времен Ренессанса больше интересовали свойства магнитов и компасов — различие между электрическими и магнетическими силами впервые было введено только в середине XVI века.

Заряд электрона. Опыты Милликена и Иоффе

Американский ученый Р. Милликен экспериментально доказал то, что элементарный заряд существует. В своих опытах он измерял скорость движения капель масла в однородном электрическом поле, которое создавалось между двумя электрическими пластинами. Капля заряжалась при столкновении с ионом. Сравнивались скорости движения капли не имеющей заряда и этой же капли после столкновения с ионом (приобретшей заряд). Зная напряженность поля между пластинами, вычислялся заряд капли.

Опыты Милликена повторил А.Ф. Иоффе. Он использовал металлические пылинки вместо капель масла. Изменяя напряженность поля между пластинками, Иоффе добивался равенства силы тяжести и силы Кулона, пылинка при этом оставалась неподвижной. Пылинку освещали ультрафиолетом. Заряд ее при этом изменялся, для уравновешивания силы тяжести приходилось изменять напряженность поля. По полученным величинам напряженности ученый судил об отношении электрических зарядов пылинки.

В опытах Милликена и Иоффе было показано, что заряды пылинок и капель всегда изменялись скачком. Минимальное изменение заряда было равно:

Электрический заряд всякого заряженного тела равен целому числу и кратен заряду электрона. Сейчас существует мнение, что имеются элементарные частицы – кварки, которые обладают дробным зарядом ().

Общее понятие об электроне

В физике элементарных частиц говорится, что электрон — неделимый и не обладающий структурой. Он задействован в электромагнитных и гравитационных процессах, принадлежит к лептоновой группе, так же как и его античастица — позитрон. Среди других лептонов обладает самым легким весом. Если электроны и позитроны сталкиваются, это приводит к их аннигиляции. Подобная пара может возникнуть из гамма-кванта частиц.

До того как измерили нейтрино, именно электрон считался самой легкой частицей. В квантовой механике его относят к фермионам. Также электрон имеет магнитный момент. Если к нему относят и позитрон, то разделяют позитрон как положительно заряженную частицу, а электрон называют негатроном, как частицу с отрицательным зарядом.

Проскок электрона

Как умеет скакать электрон?Иногда при заполнении энергетических подуровней мы нарушаем порядок заполнения подуровней. В первую очередь, это связано с заполнением s- и d-подуровней . Электрон перемещается с внешнего s- на предвнешний d-подуровень. Так образуется более устойчивая заполненная или полузаполненная конфигурация.Такое явление называется проскоком электрона: электрон как бы нарушает общую очередь элементов в оболочке и обходит их.

Это явление характерно для элементов IB и VIB групп, например, Cr, Cu, Ag.

Например, у меди электронная оболочка должна выглядеть как ..3d94s2. Но так как для заполнения d-подуровня не хватает одного электрона, то более выгодной становится ситуация, когда с s-подуровня электрон “перепрыгивает” на внутренний d-подуровень. В результате, конфигурация меди выглядит как 3d104s11

Итог: иметь конфигурации nd5 и nd10 более энергетически выгодно, чем nd4 и nd9. Поэтому у таких элементов, как Cu, Cr, Ag, Au, Nb, Mo, Ru, Pt, Pd происходит проскок (провал) электрона: электрон с верхнего “этажа” как будто проваливается на нижний.

Классификация химических элементов: s-,p-,d-,f-элементы

В зависимости от положения “последнего электрона” бывают s-, p-, d-, f-элементы:

s-элементы: IA и IIA группы;
p-элементы: IIIA-VIIIA группы;
d-элементы: элементы побочных подгрупп;
f-элементы: вынесены в отдельную группу лантаноидов и актиноидов.

У s- и p-элементов валентные электроны находятся на внешнем уровне.

У d-элементов — на внешнем s- и на предвнешнем d-подуровнях.

Далее приведены электронные формулы атомов элементов первых четырех периодов. Благодаря этой шпаргалке всегда можно сверить свой вариант электронной конфигурации и проверить себя.

Продолжение темы читайте в статье «Строение атома и электронные конфигурации 2.0».

Отдельные свойства электронов

Электроны относят к первому поколению лептонов, со свойствами частиц и волн. Каждый из них наделен состоянием кванта, которое определяют в результате измерения энергии, спиновой ориентации и других параметров. Принадлежность к фермионам у него раскрывается через невозможность нахождения в одном состоянии кванта одновременно двух электронов (по принципу Паули).

Его изучают так же, как квазичастицу в периодическом кристаллическом потенциале, у которой эффективная масса способна существенно отличаться от массы в состоянии покоя.

Посредством движения электронов происходит электрический ток, магнетизм и термо ЭДС. Заряд электрона в движении образует магнитное поле. Однако внешнее магнитное поле отклоняет частицу от прямого направления. При ускорении электрон приобретает способность поглощения или излучения энергии в качестве фотона. Из его множества состоят электронные атомические оболочки, число и положение которых определяют химические свойства.

Атомическая масса в основном состоит из ядерных протонов и нейтронов, в то время как масса электронов состовляет порядка 0,06 % от всего атомного веса. Электрическая сила Кулона является одной из главных сил, способных удерживать электрон рядом с ядром. Но когда из атомов создаются молекулы и возникают химические связи, электроны перераспределяются в новом образованном пространстве.

В появлении электронов участвуют нуклоны и адроны. Изотопы с радиоактивными свойствами способны излучать электроны. В условиях лабораторий эти частицы могут изучаться в специальных приборах, а например, телескопы могут детектировать от них излучения в плазменных облаках.

Характеристика элементарных частиц

Из таблички видно, что вся масса атома сосредоточена в протонах и нейтронах, то есть в ядре. При этом само ядро положительно заряжено, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны.

В разновидностях одного и того же химического элемента может быть различное число элементарных частиц. Давай рассмотрим это на примере атома водорода.

Первый случай: ядро атома водорода состоит из одного протона (масса ядра = 1 а.е.м.). Такой атом называется протием, именно он указан в периодической системе Д.И. Менделеева.

Добавим к этому ядру один нейтрон, тогда масса ядра будет равна 2 а.е.м.. Мы получили вторую разновидность атома водорода — дейтерий.

Если добавить второй нейтрон к такому ядру, то мы получим тритий. Так вот, разновидности одного и того же химического элемента, которые различаются числом нейтронов в ядре, называются изотопами.

Один водород, но три лучше: что такое изотопы?Изотопы — атомы одного химического элемента с разным числом нейтронов: равные заряды ядра, равное число e и p, но разное число n!

Как определить количество элементарных частиц

Сейчас мы научимся определять количество протонов, нейтронов и электронов в атоме любого химического элемента. В этом нам поможет периодическая система Д.И. Менделеева.

Давай рассмотрим ячейку в периодической системе с углеродом:

В верхней части ячейки располагается порядковый номер элемента (это целое число), под ним располагается относительная атомная масса. Она является нецелым числом, поэтому её легко определять. Относительная атомная масса, округленная до целого числа, называется массовым числом.

Эти характеристики связаны с количеством элементарных частиц в атоме следующим образом:

Порядковый номер элемента = число протонов в ядре = заряд ядра атома = число электронов в атоме(№ элемента = p = Z = ē)Число нейтронов = массовое число – порядковый номер(n = Ar — № элемента)

Давай рассмотрим основные определения и положения, связанные с характеристикой элемента и числовыми операциями:

Орбиты, на которых располагаются электроны, называются электронными слоями (или энергетическими уровнями). Нумерация слоев начинается с ближайшего к ядру электронного слоя.
На каждом электронном слое может находиться не более 2N2 электронов (где N — номер слоя).
Число занятых электронами слоев в атоме элемента совпадает с номером периода, в котором он находится.
Последний энергетический уровень называют внешним (максимальное число ē на внешнем уровне = 8). Обычно на нем находятся валентные электроны, то есть электроны на внешней (валентной) оболочке атома.
Число валентных электронов, как правило, совпадает с номером группы, в котором находится элемент.

На примере атома углерода определим количество элементарных частиц в его атоме.

Порядковый номер углерода равен 6, значит, заряд его атома + 6, число протонов и число электронов совпадает и тоже равно 6.

Относительная атомная масса равна 12,01, а число нейтронов равно 12 – 6 = 6.

Углерод находится во втором периоде, IV группе. Это показывает нам, что занято лишь 2 электронных слоя, при этом на внешнем электронном уровне располагаются 4 электрона.

“Грустный” и “веселый” атом

При заполнении электронами ячеек мы описываем так называемое основное состояние. Это такое состояние атома, при котором энергия системы минимальна. Его состояние можно определить как “веселое”: в атоме всё спокойно и в порядке.

Но может быть и другая ситуация, когда на электроны оказывается какое-то воздействие. Тогда происходит процесс, похожий на развод пары в человеческом мире. В результате воздействия те электроны, которые находились на орбитали вдвоем и были спаренными, могут друг с другом “поссориться” и “разъехаться” по разным орбиталям.

Тогда атом можно определить как “грустный”: электроны ссорятся, атома грустит. В химии это состояние и называется возбужденным. Такой “развод” возможен только в пределах одного энергетического уровня.

Атомные подуровни заполняются электронами в порядке увеличения их энергии. Этот порядок выглядит следующим образом:

1s → 2s → 2p → 3s → 3p → 4s → 3d → 4p → 5s → 4d → 5p → 6s → …

Заключение

Итак, электроны – это стабильные отрицательно заряженные частицы. Они элементарные и не могут распадаться на другие элементы. Их относят к фундаментальным частицам, то есть таким, которые входят в структуру вещества.

Электроны движутся вокруг атомных ядер и составляют их электронную оболочку. Они влияют на химические, оптические, механические и магнитные свойства различных веществ. Эти частицы участвуют в электромагнитном и гравитационном взаимодействии. Их направленное движение создает электрический ток и магнитное поле.

Ну, и стоит подметить, что не даром все же модель атома, которую мы видели на примере атома кислорода, в упрощенном варианте называется планетарной. Просто сравните, как визуально похоже атомное устройство материи с Солнечной системой. И что самое интересное, внутри каждого вещества есть атомы, неизменно состоящие из протонов, нейтронов и электронов.

Поэтому заряду было придумано удобное, во многом математическое определение:

Заряд частиц
Электрон	Протон	Нейтрон
Отрицательный	Положительный	Нейтральный

Раз нейтрон по сравнению с электроном или протоном, образно говоря, нейтральный, заряда будто бы нет, такой заряд можно принять за условный $0$. Заряд электрона удобно считать отрицательным, а протона — положительным.

Важно понимать!

Это лишь условность, с помощью которой удобно описывать поведение субатомных частиц при взаимодействии. С таким же успехом заряды можно было бы назвать именами известных людей или популярными кличками собак в Голландии.

Разобраться во всем поможет… история. И щепотка здравого смысла!