Elektronlar kuantum teorisinin temelini oluşturan atom altı parçacıklardır. Atomların birbirleriyle etkileşmesini sağlarlar. Atomların en dış bölgelerinde bulunan negatif yüklü atom altı parçacıklardır. Duruma bağlı olarak elektron hem kısmen parçacık benzeri hem de kısmen dalga benzeri kabul edilir. Elektronlar atomların diğer atomlarla etkileşime girmesinin temel nedeni. Bir atomun çekirdeği proton ve nötronlardan oluşuyor. Protonlar pozitif, nötronlar yüksüz ve elektronlar negatif yüklüdür. Bir atomun özellikleri bu temel parçacıkların düzenlenişine bağlıdır.
Biliyor musunuz? Bir atom Dünya boyutunda olsaydı çekirdeğinin çapı yalnızca 260 metre olurdu.
Elektron nedir?
Elektron, elektriğin hareket etmesini sağlayan kararlı, negatif yüklü bir atom altı parçacıktır. Her elektron bir birim negatif yük (1,602 x 10-19 kulomb) taşır ve bir protonun yaklaşık 1/1836'sı kadar kütleye sahiptir. Elektron hem çekirdeğin içinde bulunur hem de atoma kalıcı olarak bağlı değildir.
Kuantum mekaniği, elektronların herhangi bir içsel özellik temelinde ayırt edilemeyeceğini belirtiyor, bu nedenle tüm elektronlar aynı kütleye, aynı elektrik yüküne ve aynı dönüşe sahip. Bu yüzden bir sistem içindeki konumlarını gözle görülür şekilde değişikliğe neden olmadan serbestçe değiştirebiliyorlar.
Elektronlar kütle olarak proton ve nötronlardan yaklaşık 1.800 kat küçükler. Bu nedenle bir elementin atom kütlesini belirgin etkilemezler. Yaklaşık 1,67 × 10-24 olan atom kütlesi temelde protonlardan ve nötronlardan gelir. Ancak atomun yükü elektronlardan etkilenir.
Elektronun keşfi
Elektronların var olduğu öngörüsü ilk kez Richard Laming (1838-1851) ve diğer bilim adamları tarafından öne sürülmüştü. Antik Yunanlıların kehribar kürkle ovulduğunda küçük nesneleri çektiğini keşfettikleri söylenir. Kehribar için Yunanca sözcük olan 'elektron' bu çekime neden olan güç için kullanılmıştır.
"Electron" terimi 1891'de G. Johnstone Stoney tarafından elektrik akımı geçen kimyasallardaki yük birimini belirtmek için türetildi. 1897'de terimin Thomson'ın cisimciklerine uygulanmasını öneren İrlandalı fizikçi George Francis Fitzgerald oldu.
Elektron, İngiliz fizikçi Joseph John Thomson tarafından 1897'de keşfedildi. Thomson, elektriğin düşük basınçlarda gazlar aracılığıyla boşaldığı deneyler yaptı. Gazlar genellikle zayıf elektrik iletkenleridir, ancak düşük basınca tutulduklarında ve iki elektrot aracılığıyla voltaj uygulandığında iletken hale gelirler.
Thomson, katot ışınlarını iki paralel alüminyum levha arasındaki bir tüpün ucuna yönlendirerek cam üzerinde ışıldama olarak görülmelerini sağladı. Üst alüminyum levha negatif olduğunda, ışınlar aşağı doğru hareket etti; üst levha pozitif olduğunda, ışınlar yukarı doğru hareket etti. Artı ve eksi parçacıklar birbirini çekiyor veya aynı yüklülerse itiyordu. Bu sapma açıkça levhalar arasındaki yük farkıyla ilgiliydi ve katot ışınlarının negatif yüklü parçacıklar olduğunu göstererek elektronların varlığına işaret etmişti.
Bu iletim sırasında negatif katot, katot ışını denilen parlak çizgiler yaydı. Bu ışınlar ilk olarak 1858'de Alman fizikçi Julius Plücker tarafından tanımlandı. Ama kimse onlara neyin sebep olduğunu bilmiyordu.
O zamanlar iki ana teori vardı. Biri, ışınların bir tür radyasyondan kaynaklanması ve diğeri ise gizemli negatif yüklü parçacıklardan doğmalarıydı. Thomson ikinci teorinin doğru olduğunu ispatladı ve bu parçacıklara elektron denildi. Elektronun keşfi fizikte devrim yarattı ve elektrik, yerçekimi, elektromanyetizma, termal iletkenlik ve diğer birçok alanla ilgili gelişmeler sağladı.
1910'da Thomson, Francis Aston ile çalışmaya başladı ve gaz iletkenliği üzerine yaptıkları çalışmalar Aston spektrometresinin gelişimine ve izotopların keşfine yol açtı.
Thomson'ın bilimsel başarıları gözden kaçmadı. 1906'da Thomson, elektriğin gazlar yoluyla deşarjı üzerine teorik ve deneysel araştırmalarıyla Nobel Ödülü aldı. 1908'de şövalye ilan edildi ve 1912'de sanat, öğrenim, edebiyat ve bilimin ilerlemesine yönelik olağanüstü derecede övgüye değer hizmet sunanlara verilen Liyakat Nişanı aldı. Thomson ayrıca beş yıl boyunca (1915'ten 1920'ye dek) Royal Society'nin Başkanı ve 30 Ağustos 1940'taki ölümüne dek Cambridge Trinity College'ın Master'ıydı.
Elektrona dair ilginç bilgiler
- Elektronlar temel parçacıklardır, yani daha fazla bölünemezler. Bununla birlikte, mutlak sıfıra yakın sıcaklıklarda küçük bir alana yapay olarak hapsedilmiş bir elektron spinon ve holon denilen kuasi parçacıklara ayrılmıştır. Üçüncü bir yarı parçacık olan orbiton da bulunmuştur. Orbiton tıpkı elektron gibi davranır ve 1 boyutlu bir katıda bulunabilir. Yörüngesel açısal momentumu vardır ancak dönüşü veya elektrik yükü yoktur.
- Kuantum fiziğinde 2018 yılında tarihi bir deney yapıldı. Londra'daki Imperial College'daki bilim insanları, parlaklığı güneş yüzeyinden milyonlarca kat yüksek olan Gemini Laser ekipmanının yardımıyla hareket halindeki bir elektronu durdurmayı başardılar.
- Atomlar arasındaki bağ, bir atomun elektronları başka bir atomun dış kabuğundaki elektronlarla etkileşime girdiğinde ve elektronları paylaşarak veya bağışlayarak bağlar oluşturduğunda meydana gelir.
- Elektrik, elektronların metal gibi iletken bir ortam aracılığıyla değiş tokuş edildiğinde oluşur. Bu yüklü parçacıkların akımına elektrik akımı denir.
- Elektron mikroskobu, nesneleri görüntülemek için elektron ışınını kullanır. Numune özel olarak hazırlanır ve bir vakum odasının içine yerleştirilir ve lensler yerine bobinlerden oluşan bir elektromıknatıs kullanılır. Bobinler, 1 ila 50 milyon kez büyütme sağlamak için elektron ışınlarını büker.
- 2019'da Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı'ndaki araştırmacılar, atomik seviyelerde meydana gelen kusurları tespit etmek için süper hızlı elektron dedektörü geliştirdiler. Bu cihaz 4D kamera ile donatılmıştır ve dakikada 4 TB veriyi işleyebilir.
Elektron yörüngeleri
Elektronlar atom çekirdeğini boşlukta yörüngeler halinde çevreler. Elektron yörüngesi, elektron bulma olasılığının yüksek olduğu (%90'ın üzerinde) çekirdeği çevreler. Yörüngelerin konumu kesin değildir. Her yörünge en çok iki elektron tutabiliyor.
Danimarkalı bilim adamı Niels Bohr tarafından 1913'te geliştirilen ve Bohr Modeli denilen atom modeli, atom çekirdeğini güneşin yörüngesindeki gezegenler gibi çevreleyen elektron kabuklarından bahseder. Her elektron kabuğu bir veya daha fazla yörüngeden oluşan bir veya daha fazla alt kabuktan oluşur.
Her elektron kabuğunun farklı bir enerji seviyesi vardır. Çekirdeğe en yakın elektron kabukları uzaktakilerden düşük enerjilidir. Elektronlar enerji emerek veya serbest bırakarak bu kabuklar arasında hareket eder. Bir elektronun kabuklar arasında başarılı şekilde hareket etmesi için bu enerji emilimi veya salımı kabuklar arasındaki enerji farkına denk olmalıdır.
Bir atomun kararlı olması için yapabileceği en düşük enerji konfigürasyonunu sergilemesi gerek. Bu nedenle elektronlar, daha uzaktaki daha yüksek enerjili kabuklara geçmeden önce, çekirdeğe en yakın düşük enerjili kabukları doldururlar.
Elektron düzenleri
Bohr Modeli elektron kabuğu dağılımını ve enerji seviyelerini anlamada yararlı bir araçtır ancak elektron konfigürasyonuna dair gerçekliğin tamamını açıklamaz.
Elektron konfigürasyonları kimyagerlerin bir atomun iletkenlik, kararlılık ve kaynama noktası ile ilgili alanlarda nasıl davranacağını öngörmesini sağlar. Konfigürasyonlar bilim adamlarına elektronların alt kabuklar arasında nasıl dağıldığını anlatır.
Alt kabuklar yörüngenin şekliyle ilgili olan s, p, d ve f harfleriyle belirtiliyor; örneğin s alt kabuklarının küresel bir yörüngesi var. Elektron konfigürasyonlarında s, p d ve f'ye eşlik eden üst harf o yörüngedeki elektronların sayısını belirtir.