Un elettrone è una particella subatomica con una carica elettrica negativa uguale, ma opposta, alla carica positiva di un protone. Queste due particelle, insieme ai neutroni, formano gli atomi, con i protoni ei neutroni che risiedono nel nucleo e gli elettroni negli orbitali circostanti, tenuti in posizione dalla forza elettromagnetica. Sono coinvolti nel legame chimico, possono fluire attraverso alcuni materiali come corrente elettrica e sono responsabili della solidità degli oggetti solidi. Le particelle hanno una massa minuscola, circa 1/1836 della massa di un protone, e si pensa siano fondamentali, cioè non costituite da componenti più piccoli.
Sebbene sia spesso conveniente pensare agli elettroni come particelle minuscole e puntiformi, possono, in comune con altre particelle subatomiche, a volte comportarsi come onde. Questo è noto come dualità onda-particella. Poiché nessuno può effettivamente vedere un elettrone, anche utilizzando gli strumenti più potenti e sensibili disponibili, è possibile solo costruire modelli per cercare di spiegarne il comportamento. In alcuni casi funziona meglio un modello a “particelle”, in altri un modello a “onda”. La maggior parte delle volte, tuttavia, queste entità vengono chiamate particelle.
Elettroni nella vita quotidiana
Gli elettroni svolgono un ruolo fondamentale in tutto ciò che gli esseri umani sperimentano quotidianamente. La loro reciproca repulsione elettrica impedisce agli oggetti solidi di attraversarsi l’un l’altro, nonostante il fatto che gli atomi di cui sono fatti gli oggetti siano per lo più spazi vuoti. Queste particelle sono anche responsabili di consentire agli atomi di unirsi per formare le molecole che compongono la Terra e la vita stessa. La civiltà e la tecnologia moderne dipendono fortemente dall’elettricità, che comporta il movimento degli elettroni.
Atomi, elementi e molecole
Le proprietà degli elementi chimici dipendono dal numero di elettroni che hanno e dalla loro disposizione all’interno dell’atomo. Questi fattori determinano come gli atomi di un elemento si combinano con altri atomi per formare molecole. Quando gli atomi si combinano, lo fanno in modo tale da raggiungere un livello di energia inferiore. Gli elettroni possono essere pensati come disposti in gusci concentrici, ciascuno con un numero massimo che può contenere. Di solito, lo stato di energia più basso si ottiene tra due atomi quando entrambi sono in grado di riempire i loro gusci più esterni.
Ci sono due modi principali in cui gli atomi possono combinarsi o formare un legame chimico tra loro. Nel legame ionico, un atomo dona uno o più elettroni a un altro atomo di un elemento diverso, normalmente in modo tale che entrambi raggiungano i gusci esterni completi. Poiché un atomo ha normalmente lo stesso numero di elettroni dei protoni, è elettricamente neutro, ma perderne o acquistarne alcuni gli darà una carica positiva o negativa, formando uno ione. Un metallo tenderà a donare elettroni a un non metallo per formare un composto ionico. La molecola è tenuta insieme dall’attrazione elettrica tra il metallo caricato positivamente e il non metallo caricato negativamente.
In un legame covalente – che si forma tra non metalli – gli atomi si combinano condividendo gli elettroni per raggiungere uno stato energetico inferiore, di solito, di nuovo, riempiendo i loro gusci esterni. Ad esempio, un atomo di carbonio, che è quattro in meno di un guscio esterno completo, può formare legami covalenti con quattro atomi di idrogeno, ciascuno corto di un elettrone, formando una molecola di metano (CH4). In questo modo, tutti e cinque gli atomi condividono un guscio completo. I legami covalenti tengono insieme le complesse molecole organiche che sono essenziali per la vita.
Impianti elettrici
Il movimento degli elettroni da un luogo all’altro si manifesta come elettricità. Questo può assumere la forma di elettricità “statica”, in cui l’attrito fa sì che queste particelle si muovano da un materiale all’altro, lasciando entrambi carichi elettricamente e in grado di esercitare un’attrazione verso altri oggetti. Questo è stato documentato per la prima volta nell’antica Grecia, quando l’effetto veniva prodotto sfregando l’ambra con la pelliccia. La parola elettrone, infatti, deriva dalla parola greca per ambra.
Un dispositivo chiamato generatore Van de Graff utilizza questo effetto per generare tensioni molto elevate che possono produrre grandi scintille.
La forma più familiare di elettricità, tuttavia, è la corrente elettrica che viene fornita alle case e all’industria per fornire luce e calore e per alimentare vari dispositivi e processi. Consiste in un flusso di elettroni attraverso un materiale adatto, noto come conduttore. I migliori conduttori sono i metalli, perché i loro elettroni esterni sono trattenuti liberamente e possono muoversi facilmente. Il movimento di un conduttore all’interno di un campo magnetico può produrre un flusso di elettroni al suo interno, un effetto che viene utilizzato nella generazione di elettricità su larga scala.
History
L’idea che l’elettricità potesse arrivare in piccole unità indivisibili era in circolazione dalla prima metà del XIX secolo, ma fu nel 19 che il fisico irlandese G. Johnstone Stoney usò per la prima volta il termine elettrone per descrivere l’unità fondamentale postulata di carica elettrica negativa . Tre anni dopo, il fisico britannico JJ Thompson lo identificò come una particella subatomica. Fu solo nel 1894 che la sua carica fu misurata da Robert Andrews Millikan, un fisico sperimentale americano, con un ingegnoso esperimento ben noto agli studenti di fisica. Sospese goccioline d’olio di varie dimensioni in un campo elettrico regolabile e calcolò le quantità di carica necessarie per impedire che cadessero per gravità. Si è scoperto che i valori erano tutti multipli della stessa minuscola unità, che era la carica su un singolo elettrone.