Электрон

Электрон — элементарная частица, носитель наименьшей массы и наименьшего электрического заряда в природе. Электрон обладает отрицательным зарядом, величина которого составляет, по современным данным, —1,6021892x10^-19 кулон или —4,803242x10^-10 ед. СГСЭ, а масса электрона равна 0,9109534x10^-27 г.

Установление существования электрона было подготовлено трудами многих выдающихся исследователей. В 1897 г. электрон был открыт английским физиком Дж. Дж. Томсоном.

Для химии электрон представляет большой интерес, так как эта частица — неотъемлемая составная часть атомов и молекул. Движение электрона, как и других элементарных частиц, подчиняется законам квантовой механики (см. Квантовая химия). В чем же заключается главная особенность квантовомеха-нического описания движения микрообъектов? Рассмотрим такой опыт. Электроны определенной энергии, вылетая из источника, проходят поодиночке через маленькие отверстия, находящиеся в поставленной на их пути преграде (например, пластинке), а затем попадают на фотопластинку, вызывая ее почернение. После проявления фотопластинки на ней можно увидеть совокупность чередующихся светлых и темных колец (рис. 1), т. е. дифракционную картину. Дифракционная картина представляет собой очень сложное физическое явление, включающее в себя как собственно дифракцию — огибание волной препятствия, так и интерференцию, т. е. наложение вторичных волн. И дифракция, и интерференция говорят о наличии у электрона волновых свойств, ибо только волны способны огибать препятствия и налагаться друг на друга в местах их встречи. Однако, попадая на фотослой, электрон дает почернение лишь в одном месте, в одном зерне фотослоя, что свидетельствует о наличии у него корпускулярных свойств. Ведь, будь он волной, он засвечивал бы, более или менее равномерно, всю пластинку.

Таким образом, получается, что в одних условиях, скажем проходя через малое отверстие, электрон ведет себя как волна, тогда как в других, засвечивая фотопластинку,— как частица (корпускула).

Вследствие дифракции электрон, пройдя отверстие, может в принципе попасть в любую точку фотопластинки, но с разной вероятностью. Иными словами, можно говорить о вероятности обнаружения электрона в той или иной области фотослоя или, более общо, в области пространства. Именно с помощью понятия вероятности описывают физики движение электрона.

Часто вероятность нахождения электрона в пространстве изображают наглядно с помощью множества точек, похожего на облако (рис. 3). Поэтому, говоря о вероятности обнаружения электрона в той или иной области пространства, употребляют выражения «электронное облако», «распределение электронной плотности» или просто «электронная плотность». Следует помнить, что электронное облако — это не наглядный образ самого электрона, «размазанного» в пространстве, а лишь наглядное изображение распределения вероятности его нахождения в разных областях пространства, т. е. в конечном счете электронное облако характеризует движение электрона (см. Атом).

Распределение электронной плотности в атомах и молекулах — их важнейшая характеристика, так как позволяет понять многие их физико-химические свойства (см. Химическая связь). Кроме того, все химические реакции сопровождаются изменением распределения электронной плотности в реагентах. При этом химики выделяют в особую группу окислительно-восстановительные реакции, в которых происходит кажущийся перенос электронов от одних частиц к другим. «Кажущийся» — так как в действительности, как правило, электронная плотность изменяется постепенно, непрерывно подстраиваясь под движения ядер. Однако в последнее время были изучены реакции, в которых сначала переносится электрон, а затем происходит существенное перемещение атомных ядер. Примером может служить следующая газофазная реакция:

K+I₂ → К+ + I₂- → KI + I

Благодаря скачку электрона реакция начинается на таком расстоянии между К и I₂, когда обычные химические силы еще практически равны нулю. Химические реакции в ионосфере, многие окислительно-восстановительные реакции в растворах и на электродах, многие радиационно- и фотохимические процессы, некоторые каталитические окислительно-восстановительные процессы, процессы дыхания и фотосинтеза в живых организмах — вот далеко не полный перечень сложных процессов, включающих в себя стадию переноса электрона.

В последние годы возникло еще одно направление в «химии электрона» — изучение так называемого сольватированного электрона (ē_s). Понятие о ē_s появилось впервые при изучении свойств растворов щелочных металлов в жидком аммиаке. Эти растворы имеют яркую окраску: синюю, голубую или бронзовую. С ростом концентрации металла уменьшается плотность раствора, повышается его электропроводность, а при больших концентрациях появляется характерный блеск и ряд других металлических свойств. Еще в начале XX в. было высказано предположение, впоследствии полностью подтвердившееся, что щелочной металл, растворяясь в аммиаке, диссоциирует на ион металла и сольватированный электрон: Me + xNH3 → ē(NH3)x + Me+ . В 1960-х гг. был открыт сольватированный электрон в воде. Если мы возьмем водный раствор, то электрон в нем долго не «живет». Он сравнительно быстро (время жизни электрона в воде составляет примерно миллисекунду) вступает в реакцию с молекулами воды:

ē(H2O)+H2O → H + OH-

Сольватированные электроны играют большую роль в химических превращениях, происходящих под действием ионизирующих излучений, а также в электрохимических реакциях (см. Электрохимия).

Электроны позволяют химикам установить структуру молекул и кристаллов. На рис. 2 показана принципиальная схема электронографа для изучения молекул газов. Получаемые с помощью этого прибора электронограммы имеют вид, показанный на рис. 1. Характер колец и их интенсивность на электронограмме зависят от строения исследуемых молекул. Существующие методы расшифровки элект-ронограмм дают возможность установить по ним симметрию молекулы, величины валентных углов и межъядерных расстояний.

Особенностями движения электронов в атомах, подчиняющегося законам квантовой механики, определяются оптические, электрические, магнитные, химические и механические свойства веществ.

Электроны участвуют в электромагнитных, слабых и гравитационных взаимодействиях (см. Атом).