Electron là gì? Cấu tạo và thuộc tính của nguyên tử electron

Khi tìm hiểu các kiến thức hóa học, ta ít nhiều cũng đã được biết đến electron. Vậy electron là gì? Cấu hình electron là gì và được viết như thế nào? Trong bài viết dưới đây, Thiết bị điện Goldsun sẽ đưa ra cho bạn những thông tin cơ bản nhất về electron và cấu hình electron.

Electron là gì?

Electron là hạt mang điện tích âm nằm trong nguyên tử và bao quanh hạt nhân. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện tích dương ở trung tâm và các electron mang điện tích âm chuyển động xung quanh. Điện tích mỗi electron là -1,6.10-19 Coulomb (kí hiệu  C), khối lượng 9,1.10-31 kg. Electron được kí hiệu e.

Nguồn gốc và lịch sử về electron

Khám phá ra hiệu ứng của lực điện

Người Hy Lạp cổ đại đã nhận thấy rằng khi dùng bộ lông thú chà xát vào hổ phách thì nó có khả năng hút được những vật nhỏ. Cùng với sét, đây là một trong những hiện tượng về điện được ghi nhận sớm nhất trong lịch sử loài người.

Trong luận thuyết De Magnete viết năm 1600, nhà khoa học người Anh William Gilbert đưa ra thuật ngữ trong tiếng Latin mới là electrica, để kể đến những chất có tính chất tương tự như hổ phách với khả năng có thể hút được những vật nhỏ khi chà xát với lông thú.

Cả hai thuật ngữ electric và electricity đều có nguồn gốc từ tiếng Latin ēlectrum (cũng là từ nguyên của hợp kim có cùng tên); ēlectrum có từ nguyên bắt nguồn từ chữ hổ phách trong tiếng Hy Lạp, ἤλεκτρον (ēlektron).

Khám phá hai loại điện tích

Đầu những năm 1700, nhà hóa học người Pháp Charles François du Fay phát hiện thấy nếu một lá vàng tích điện bị đẩy bởi một que thủy tinh khi chà nó với lụa, thì cùng lá vàng tích điện này lại bị hút bởi hổ phách khi chà vào bông sợi.

Từ quan sát này cùng những kết quả thí nghiệm tương tự, du Fay kết luận rằng điện phải chứa hai loại chất lỏng mang điện, chất lỏng vitreous từ đũa thủy tinh khi chà xát vào lụa và chất lỏng resinous từ hổ phách khi chà vào bông sợi.

Hai chất lỏng này có thể trung hòa lẫn nhau khi được kết hợp lại. Nhà khoa học người Mỹ Ebenezer Kinnersley sau đó cũng độc lập đi đến kết luận tương tự của du Fay.

Một thập kỷ sau, Benjamin Franklin đề xuất rằng điện không cấu tạo từ những loại chất lỏng điện khác nhau, mà là một chất lỏng điện có biểu hiện dư thừa (+) hay thiếu hụt (−) điện tích.

Ông đưa ra thuật ngữ hiện đại tương ứng với chúng là điện tích dương và điện tích âm. Franklin từng nghĩ về chất mang điện sẽ có điện tích dương, nhưng ông đã không miêu tả đúng tình huống khi nào chất sẽ dư thừa điện tích, và khi nào bị thiếu hụt điện tích.

Giữa các năm 1838 và 1851, nhà triết học tự nhiên người Anh Richard Laming phát triển ý tưởng cho rằng một nguyên tử là tổ hợp bao gồm một lõi vật chất được bao quanh bởi những hạt nhỏ hơn nguyên tử mà có điện tích bằng số lần điện tích đơn vị.

Đầu năm 1846, nhà vật lý người Đức William Weber đưa ra lý thuyết miêu tả điện là chất tổng hợp bởi các chất lỏng tích điện dương và âm, và tương tác giữa chúng bị chi phối bởi luật nghịch đảo bình phương.

Sau khi nghiên cứu hiện tượng điện phân vào năm 1874, nhà vật lý người Ireland George Johnstone Stoney gợi ý có tồn tại một “đại lượng xác định duy nhất cho điện”, điện tích của một ion hóa trị một.

Ông đã có thể ước lượng giá trị của điện tích cơ bản e này bằng cách áp dụng định luật điện phân Faraday.Tuy nhiên, Stoney lại tin rằng những điện tích này lại gắn chặt vĩnh cửu vào nguyên tử và không thể bị tách rời. Năm 1881, nhà vật lý người Đức Hermann von Helmholtz cho rằng cả điện tích dương và điện tích âm có thể chia ra thành những thành phần cơ bản, mỗi một chúng “hành xử như những nguyên tử của điện”.

Stoney ban đầu đưa ra thuật ngữ electrolion vào năm 1881. Mười năm sau, ông chuyển sang sử dụng electron để miêu tả những điện tích cơ bản này, khi ông viết vào năm 1894: “… một ước lượng được thực hiện để tính toán số lượng thực tế của đơn vị điện cơ bản điển hình nhất này, mà tôi đã từng dám gợi ý đặt tên là electron”.

Đã có một đề xuất vào năm 1906 nhằm đổi sang tên gọi electrion nhưng đã thất bại bởi vì Hendrik Lorentz vẫn thích tên gọi electron hơn.

Từ electron là tổ hợp của các từ electric và ion. Hậu tố -on mà hiện nay được sử dụng để đặt tên cho các hạt cơ bản khác, như proton hoặc neutron, có nguồn gốc bắt nguồn từ cách đặt tên cho electron.

Khám phá ra các electron tự do bên ngoài vật chất

Khi nghiên cứu hiện tượng dẫn điện trong khí loãng vào năm 1859, nhà vật lý người Đức Julius Plücker quan sát thấy ánh sáng lân quang, vốn được tạo thành bởi bức xạ phát ra từ cathode, xuất hiện tại thành ống gần cathode, và vùng ánh sáng lân quang đó có thể di chuyển bằng việc ứng dụng từ trường.

Năm 1869, Johann Wilhelm Hittorf, một học trò của Plücker, phát hiện rằng một vật rắn đặt giữa cathode và vùng lân quang tạo ra một vùng tối trên vùng lân quang của ống. Hittorf kết luận rằng có những tia truyền thẳng phát ra từ cathode và vùng lân quang đó được tạo ra bởi các tia chiếu qua thành ống.

Năm 1876, nhà vật lý người Đức Eugen Goldstein chỉ ra rằng các tia này được phát ra theo phương vuông góc với mặt cathode, mặt phân cách giữa các tia phát ra từ cathode và ánh sáng sợi đốt. Goldstein đặt tên cho những tia này là tia âm cực.

Công cuộc nghiên cứu về tia âm cực kéo dài hàng thập kỷ cả về lý thuyết và thực nghiệm đóng vai trò quan trọng trong quá trình khám phá ra electron của J. J. Thomson.

Trong thập niên 1870, nhà hóa lý người Anh Sir William Crookes đã phát triển ống tia âm cực đầu tiên với môi trường chân không cao bên trong.

Sau đó ông chứng tỏ rằng các tia phát quang xuất hiện bên trong ống có mang năng lượng và chuyển động từ phía cathode sang anode. Hơn nữa, khi đặt vào một từ trường, ông đã làm lệch đường đi của chùm tia, do đó chứng tỏ thêm chùm tia hành xử như nó chứa điện tích âm.

Năm 1879, ông đề xuất rằng những tính chất này có thể được giải thích bằng cách coi rằng các tia âm cực bao gồm các phân tử khí mang điện tích âm trong trạng thái thứ tư của vật chất mà trong đó quãng đường tự do của các phân tử lớn đến mức có thể bỏ qua va chạm.

Nhà vật lý người Anh sinh ở Đức Arthur Schuster tiến hành mở rộng các thí nghiệm của Crookes khi đặt những tấm kim loại song song với chùm tia cathode và áp dụng vào một điện thế giữa các tấm này.

Điện trường đã làm lệch chùm tia về phía tấm kim loại tích điện dương, chứng cứ đã củng cố thêm cho kết luận chùm tia mang điện tích âm.

Bằng cách đo độ lệch của chùm tia tương ứng với từng lần điều chỉnh dòng điện giữa hai tấm kim loại, năm 1890 Schuster đã ước lượng được tỷ số khối lượng−điện tích[gc 3] của các thành phần trong chùm tia. Tuy vậy, giá trị ông thu được lớn hơn 1000 lần so với giá trị được dự đoán, do đó ít người đã để ý đến kết quả tính toán của ông vào thời điểm đó.

Năm 1892, Hendrik Lorentz gợi ý rằng khối lượng của những hạt này (electron) có thể là hệ quả của lượng điện tích mà chúng mang theo.

Khi đang nghiên cứu các khoáng chất huỳnh quang tự nhiên vào năm 1896, nhà vật lý người Pháp Henri Becquerel khám phá thấy chúng phát ra các bức xạ mà không cần phải chiếu thêm một nguồn năng lượng từ bên ngoài.

Những vật liệu phóng xạ này trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học, bao gồm nhà vật lý người New Zealand Ernest Rutherford, ông đã phát hiện vật liệu phóng xạ có phát ra các hạt. Ông gọi những hạt này là các hạt alpha và hạt beta, dựa trên khả năng đâm xuyên của chúng qua vật chất.

Năm 1900, Becquerel đã chứng tỏ chùm tia beta phát ra từ hạt nhân radium có thể bị làm lệch hướng trong một điện trường, và tỷ số khối lượng trên điện tích của chúng bằng với tỷ số này của chùm tia cathode.

Chứng cứ này đã củng cố thêm quan điểm cho rằng electron tồn tại như là một trong các thành phần của nguyên tử.

Năm 1897, nhà vật lý người Anh J. J. Thomson, cùng với các đồng nghiệp John S. Townsend và H. A. Wilson, đã thực hiện các thí nghiệm chỉ ra chùm tia cathode thực sự chứa các hạt, hơn là một loại sóng, những hạt nguyên tử hoặc phân tử như nhiều nhà khoa học từng tin như vậy trước đó.

Thomson đã có kết quả ước lượng khá tốt về điện tích e và khối lượng m của hạt tia cathode, mà ông gọi là “corpuscles”, nó có khối lượng bằng một phần nghìn khối lượng của ion nhẹ nhất: ion hydro.

Ông cũng đã chứng minh tỷ số điện tích−khối lượng, e/m, có giá trị độc lập với vật liệu của bản cực cathode. Ông tiếp tục chứng tỏ thêm các vật liệu phóng xa, vật liệu nung nóng và vật liệu bị chiếu xạ có phát ra các hạt mang điện tích âm.

Tên gọi electron về sau được cộng đồng khoa học chấp nhận sử dụng rộng rãi, chủ yếu do đề xuất của G. F. FitzGerald, J. Larmor và H. A. Lorentz.

Điện tích của electron đã được đo một cách chính xác hơn bởi các nhà vật lý Mỹ Robert Millikan và Harvey Fletcher trong thí nghiệm giọt dầu vào năm 1909, và kết quả được công bố vào 1911.

Thí nghiệm sử dụng một điện trường để hãm các giọt dầu mang điện tích rơi trong không khí dưới ảnh hưởng của lực hấp dẫn. Thiết bị của họ có thể đo điện tích của 1–150 ion với sai số là 0,3%.

Trước đó nhóm của Thomson cũng thực hiện thí nghiệm tương tự, sử dụng đám mây chứa các giọt nước tích điện tạo ra bởi sự điện phân,và thí nghiệm thực hiện bởi Abram Ioffe năm 1911, ông đã thu được kết quả tương tự một cách độc lập với nhóm Millikan khi sử dụng các vi hạt kim loại tích điện, và kết quả được công bố vào năm 1913.

Tuy nhiên, các giọt dầu có tính ổn định hơn giọt nước bởi vì chúng có tốc độ bốc hơi chậm hơn, và do đó phù hợp hơn với thí nghiệm chính xác đòi hỏi thực hiện trong thời gian dài hơn.

Vào thời điểm bắt đầu thế kỷ 20, các nhà khoa học phát hiện rằng dưới những điều kiện nhất định một hạt tích điện chuyển động nhanh trong buồng bọt có thể gây ra sự ngưng tụ của hơi nước siêu bão hòa trên quỹ đạo chuyển động của hạt.

Năm 1911, Charles Wilson đã áp dụng nguyên lý này cho thiết bị buồng mây của mình, cho phép ông có thể chụp ảnh được quỹ đạo của các hạt tích điện, ví dụ như các electron chuyển động nhanh.

Electron có các tính chất sau 

Thứ nhất, Nếu một nguyên tử có cùng số proton (số p) và cùng số electron (số e) thì nguyên tử đó trung hòa về điện, vì điện tích âm của nguyên tử electron bị trung hòa bởi điện tích của nguyên tử proton dương.

Thứ hai, Các electron luôn quay quanh hạt nhân trong các lớp vỏ theo một quỹ đạo nhất định.

Thứ ba, Lực hút do hạt nhân mang điện tích dương (+ ) tạo ra tác dụng lên các electron mang điện tích âm (-). Lực hút này đóng vai trò là lực hướng tâm cần thiết để quay các electron xung quanh hạt nhân.

Thứ tư, Các electron ở gần hạt nhân liên kết mạnh với hạt nhân và khó kéo (loại bỏ)  khỏi nguyên tử hơn các electron ở xa hạt nhân hơn.

Các thuộc tính, bản chất của Electron

Thuộc tính electron là gì

Electron có cả tính chất hạt và sóng, electron nhiễu xạ như photon, nhưng  có thể va chạm và tách ra.

Thuyết nguyên tử mô tả một electron  quay quanh một hạt nhân proton/neutron của một nguyên tử trong lớp vỏ. Tuy nhiên, trong thực tế, một electron có thể được tìm thấy ở bất kỳ đâu trong nguyên tử hoặc lớp vỏ của nó.

Bản chất electron là gì

Mức năng lượng của electron:

Cần một lượng năng lượng nhất định để phá vỡ một electron ra khỏi quỹ đạo. Cần nhiều năng lượng hơn để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ nhất hơn là loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo ngoài cùng.

Điều này bởi lực hấp dẫn do hạt nhân tác dụng lên các electron ở quỹ đạo thứ nhất lớn hơn  lực hấp dẫn do hạt nhân tác dụng lên các electron ở quỹ đạo ngoài. Tương tự, năng lượng cần thiết để loại bỏ một electron khỏi quỹ đạo thứ hai lớn hơn năng lượng từ quỹ đạo thứ ba.

Có thể nói các mức năng lượng của electron được ký hiệu bằng các chữ cái K, L, M, N… Thứ tự các mức năng lượng được thể hiện như sau: K < L < M < N … trong đó K là quỹ đạo gần hạt nhân nhất có năng lượng thấp nhất, còn quỹ đạo N ngoài cùng là quỹ đạo có năng lượng cao nhất.

Thứ tự các mức năng lượng trong cùng một nguyên tử:

Trong một nguyên tử, các electron ở các quỹ đạo khác nhau có cùng năng lượng  nếu chúng ở trong cùng một lớp.

Các mức năng lượng nguyên tử ấy được sắp xếp theo thứ tự tăng dần. Ở trạng thái cơ bản, các electron của nguyên tử (e) chiếm các mức năng lượng từ thấp đến cao. Đồng thời, theo chiều từ trong ra ngoài, mức năng lượng của các lớp tăng dần theo thứ tự từ 1 đến 7 và năng lượng của  lớp tăng dần theo thứ tự  s, p, d, f …

Thứ tự các lớp con theo chiều tăng  năng lượng được xác định như sau: 1s 2s 3s 3p 4s 3d 4p 5s….Khi điện tích hạt nhân tăng thì mức năng lượng tăng nên mức năng lượng của 4s thấp hơn 3d.

Cấu hình của Electron là gì

Cấu hình electron hoặc cấu hình điện tử là sự phân bố các lớp vỏ electron trong lớp vỏ của các hạt nguyên tử ở các trạng thái năng lượng khác nhau của chúng. Cấu hình của vỏ nguyên tử cho phép xác định các tính chất cơ bản của bất kỳ nguyên tố nào.

Sự phân bố Electron theo các mức năng lượng

Mỗi nguyên tử có một mức năng lượng khác nhau. Do đó, các electron được phân chia và phân bố ở những mức năng lượng nhất định. Như đã đề cập trong đoạn “Thứ tự của các mức năng lượng trong một nguyên tử ở trên”, sự phân bố các electron theo các mức năng lượng nhất định như sau:

• Cấu hình electron về trạng thái cơ bản của nguyên tử được sắp xếp theo các mức năng lượng tăng dần.
• Các mức năng lượng tăng từ 1 đến 7 và được sắp xếp theo thứ tự lớp s, p, d, f.
• Điện tích hạt nhân lớn hơn thì mức năng lượng 4s thấp hơn 3d.
• Mỗi phân lớp có thể chứa tối đa số electron s2, p6, d10, f1.
• Số electron tối đa được xếp ở mỗi lớp thứ n là 2n2 với n = 1, 2, 3, 4.

Ngoài các lớp K, L, M, N thì còn có các lớp O, P, Q,… cho tới khi các electron được sắp xếp đủ vào các lớp đó.

Đặc điểm của các electron ở lớp ngoài cùng của vỏ nguyên tử

• Dựa vào số electron ở lớp vỏ ngoài cùng ta có thể biết được cấu hình lớp vỏ nguyên tử, từ đó biết được tính chất của nguyên tố và loại nguyên tố đang xét.
• Đối với nguyên tử của tất cả các nguyên tố trong bảng tuần hoàn, số electron tối đa có thể có ở lớp vỏ ngoài cùng là 8 electron.
• Nguyên tử hêli và các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron ở lớp ngoài cùng thường không có các phản ứng hóa học vì các liên kết này rất bền.
• Các nguyên tử có 1, 2 hoặc 3 electron lớp ngoài cùng dễ nhường electron và thường là các nguyên tử kim loại, trừ các khí H, He, B.
• Các nguyên tử có 5, 6 , hoặc 7 electron ở lớp vỏ ngoài cùng nhận nhiều electron hơn để đạt trạng thái ổn định 8 electron và thường là phi kim.
• Các nguyên tử lớp ngoài cùng có 4
• electron có thể là phi kim hoặc kim loại.

Sơ lược về thuyết electron là gì:

Nội dung về thuyết electron là gì

Một lý thuyết dựa trên vị trí và chuyển động của các electron để giải thích các hiện tượng điện và tính chất điện của các vật thể được gọi là lý thuyết electron. Nội dung thuyết electron như sau:

• Electron có thể rời khỏi nguyên tử để chuyển từ nơi này sang nơi khác. Nguyên tử mất bớt electron trở thành hạt mang điện dương gọi là ion dương.
• Nguyên tử trung hòa có thể nhận thêm electron để trở thành hạt mang điện âm và gọi là ion âm.
• Một vật nhiễm điện âm khi số electron chứa trong nó càng nhiều, hơn số proton. Nếu số electron ít hơn số proton thì vật nhiễm điện dương.

Vận dụng thuyết electron

Vật (chất) dẫn điện và vật (chất) cách điện

• Điện tích tự do là điện tích có thể di chuyển từ điểm này sang điểm khác trong thể tích của vật dẫn.
• Vật dẫn điện là những vật nào chứa  điện tích tự do.

Ví dụ: kim loại chứa các electron tự do, dung dịch axit, bazơ, muối v.v… chứa các ion tự do. Chúng đều là các chất dẫn điện.

• Vật (chất) cách điện là vật (chất) không chứa các điện tích tự do.

Ví dụ: không khí khô, dầu, thủy tinh, sứ, cao su, nhựa, v.v. Tất cả những thứ này là chất cách điện.

Sự nhiễm điện do tiếp xúc

Khi một vật không tích điện tiếp xúc với một vật tích điện, nó sẽ bị nhiễm điện cùng dấu với vật đó. Đây là sự nhiễm điện khi tiếp xúc.

Đưa quả cầu A nhiễm điện dương đến đầu thanh kim loại MN M trung hòa về điện. Đầu M sau đó tích điện âm, đầu N tích điện dương. Sự nhiễm điện của thanh kim loại MN là phản ứng nhiễm điện (hay cảm ứng tĩnh điện).

Tóm lại, hiện tượng nhiễm điện do hưởng ứng là: Đưa một vật nhiễm điện đến một vật dẫn trung hòa về điện khác, nhưng không chạm tay vào. Kết quả là hai đầu của vật dẫn nhiễm điện trái dấu. Khi đầu vật dẫn gần vật nhiễm điện thì điện tích trên vật nhiễm điện trái dấu.

Sử dụng thuyết electron để giải thích về các hiện tượng nhiễm điện

Sự nhiễm điện do cọ sát: Khi hai vật cọ xát với nhau, các electron chuyển từ vật này sang vật kia làm vật thừa electron nhiễm điện âm, vật thiếu electron nhiễm điện dương.

Sự nhiễm điện do tiếp xúc: Khi một vật không tích điện tiếp xúc với một vật có điện tích, các electron có thể chuyển từ vật này sang vật khác, khiến vật không tích điện  trước đó cũng bị nhiễm điện.

Sự nhiễm điện do hưởng ứng: Khi đặt một vật kim loại gần một vật đã nhiễm điện, các điện tích trong vật nhiễm điện sẽ hút hoặc đẩy các electron tự do trong  kim loại, làm dư electron ở một đầu của vật và không có electron ở đầu kia. Do đó hai đầu vật nhiễm điện trái dấu.

Định luật bảo toàn điện tích

• Hệ cô lập về điện là hệ vật không có trao đổi điện tích với các vật khác ngoài hệ.
• Nội dung định luật: Trong một hệ vật cô lập về điện, tổng đại số của các điện tích là không đổi.

Cách viết cấu hình electron

Nguyên lý và quy tắc viết cấu hình elecetron là gì

Nguyên lý Pauli: một obital nguyên tử  có thể có tối đa 2 electron và 2 electron này quay khác chiều quanh trục riêng của mỗi electron.

Nguyên lý vững bền: ở trạng thái cơ bản, các electron lần lượt chiếm các obital có năng lượng thấp hoặc cao.

Quy tắc Hund: Trong cùng 1 phân lớp, các electron sẽ phân bố trên các obital sao cho số electron độc thân là tối đa và các electron này phải có chiều tự quay giống nhau.

Các bước xác định cáu hình electron

Bước 1: Xác định số electron trong nguyên tử (Z)

Bước 2: Sắp xếp các electron theo thứ tự tăng dần mức năng lượng và tuân theo quy tắc:

• Phân lớp s không chứa quá 2e
• Phân lớp p không chứa nhiều hơn 6e
• Phân lớp d không chứa quá 10 e
• Phân lớp f không chứa quá 14 e

Bước 3: Sắp xếp tập hợp e theo thứ tự các mức (1 -> 7), trong mỗi lớp theo thứ tự  lớp con (s -> p -> d -> f).

Trên đây là bài viết của Thiết bị điện Goldsun về chủ đề Electron là gì? Cấu hình electron là gì? Cách viết cấu hình electron chính xác nhất. Hy vọng những nội dung trên đã cho bạn nhiều thông tin bổ ích.