电子定义

电子是带负电荷的亚原子粒子，存在于原子核外的电子轨道或电子壳层中。 J.J. 汤姆逊在 1897 年通过阴极射线实验首次发现了它们。

作为化学过程的催化剂和化学键的组成部分，电子对化学和物理都至关重要。考虑到它们是穿过导电材料的电荷载体，从而实现电能传输，它们在电学中也起着关键作用。

原子中电子的结构和数量决定了电子所处的特定能级或轨道。第一个电子壳层最多可容纳两个电子，第二和第三个电子壳层每个最多可容纳八个电子。原子的反应性和化学特性由其最外层壳层中的电子数量决定。

根据实验，电子可以像波一样也可以像粒子一样，因为它们表现出波粒二象性。波函数是一种数学函数，它计算电子在特定位置被发现的概率，描述了这种二象性。

此外，泡利不相容原理适用于电子，规定没有两个原子电子可以具有相同的量子数集合。该理论解释了物质的稳定性和化学键的形成。电子在众多技术应用中至关重要，包括电子学、电信、计算机以及它们在原子中的作用。它们通过用于晶体管、微芯片和其他电子元件来赋能现代技术。

电子研究史

19 世纪末，J.J. 汤姆逊和罗伯特·密立根等科学家进行了开创性的工作，催生了电子是亚原子粒子的观点。他们进行了实验以确定这些微小粒子的电荷和质量，并提供了电子存在的证据。

在电子被发现之前，主流观点是物质仅由三种基本粒子——质子、中子和电子组成，并且原子是不可摧毁的。然而，汤姆逊通过他的阴极射线管研究发现了带负电荷的粒子，他将其命名为“微粒”，现在被称为电子。

电子的发现极大地促进了化学和物理的发展。它解释了许多以前无法解释的现象，包括电和磁的行为方式。在随后的几年里，对电子特性及其在原子中行为的研究持续进行。20 世纪初，尼尔斯·玻尔提出了一个原子模型，其中包括原子核周围不同能级或“壳层”中的电子。

该模型为理解电子在原子中的行为提供了框架，从而在量子力学领域取得了许多重大发现。即使现在，物理学和化学研究人员仍在大量投资于电子及其特性的研究，因为许多过程都是基于电子的特性来解释的。

电子的发现和理解使得许多实际应用成为可能，包括电子学和现代技术在所有潜在能力方面的进步。电子的历史和识别促进了自然现象的研究。该分支在特性方面不断发展。

电子的结构和类型

原子的最外层区域含有电子，它们是带负电荷的亚原子粒子。在许多化学和物理过程中，例如化学键的形成和电能的产生，它们都至关重要。

一个相当基本的结构控制着一个电子。它由一个带负电荷的单点粒子组成，其质量约为质子的 1/1836。电子的特征在于能级，即电子距原子核的距离。

价电子和内层电子是电子的两个主要亚型。价电子形成化学键，存在于原子的最高能级。参与化学反应的电子决定了原子的反应性。相反，内层电子存在于原子的较低能级，不参与化学键合。

键合电子和非键合电子是价电子可以进一步细分的附加类别。化学键由键合电子的共享或转移形成，这可能发生在原子之间。非键合电子，有时也称为孤对电子，以未共享对的形式存在，不参与化学键。

“自由电子”一词也用于描述另一种电子。自由电子可以在物质中自由移动，因为它们不附着在任何一个原子上。它们对电子设备的运行至关重要，因为它们控制着导电材料中电流的通过。

电子的特性

• 电子是原子中存在的亚粒子，并表现出化学和物理特性。电子非常微小，质量仅为9.109 x 10-31 kg，就其物理特性而言，电子带负电荷；电子周围有带负电的云状结构。它们具有高度的流动性，能够在小区域内快速移动。
• 电子在电场中的行为是其物理构成最显著的方面之一，可以通过实验轻松追踪。当电场施加到导体时，会产生电流，导致电子响应电场而移动。由于这一特性，电子对于输电和电气设备至关重要。
• 除了它们在不同实验中的物理特性外，电子还具有各种重要的化学特性，这些特性在各种化学过程中都非常重要。电子最显著的化学特性之一是它们与其他原子形成化学键的能力。由于这一特性，原子可以结合形成分子，分子是物质的基本单位。
• 电子可以形成化学键，包括共价键、离子键和金属键。与离子键（电子从一个原子转移到另一个原子）相反，共价键涉及原子之间的电子共享。当许多金属原子共享一个电子时，就形成了金属键。
• 电子参与氧化还原反应的能力也使它们在化学反应中发挥重要作用。这些反应涉及电子从一个原子转移到另一个原子，从而改变构成原子的氧化态。

电子键合

当原子通过各种化学键结合时，就形成了分子。共价键、离子键和金属键是化学键合的三种主要类型。

• 原子共享电子形成共价键。在共价键中，原子共享一个或多个电子对以形成稳定的分子。根据电子在原子之间是否均匀共享，共价键可以是极性的或非极性的。氢分子 (H2) 中的氢原子之间以及氧分子 (O2) 中的氧原子之间存在的共价键是两个例子。
• 原子交换电子形成离子键。在离子键中，一个原子获得电子并带负电荷（阴离子），而另一个原子失去电子并获得正电荷（阳离子）。正电荷和负电荷的吸引力形成离子键。在氯化钠 (NaCl) 等盐中，离子键很常见。
• 金属由共享电子的原子组成，从而形成金属键。金属键中的电子是非定域的，可以在金属中自由移动，形成一个“电子海洋”。因此，金属可以很好地传导热量和电。
• 与其他键合类型不同，氢键发生在分子之间而不是原子之间。一个分子中的氢原子被另一个分子中高电负性的原子（例如氧或氮）吸引，从而形成氢键。尽管氢键比共价键或离子键弱，但它们对许多生物功能至关重要，包括水分子之间的连接。

实际应用研究

原子中含有带负电荷的电子，它们是基本粒子。它们对我们日常使用的许多实际应用程序至关重要。以下是电子在日常生活中的一些应用示例

• 电子产品：计算机、手机、电视、收音机和其他技术设备都消耗电子。为了处理和发送信息，这些设备依赖于电子的通过。
• 电能：电流由电子携带，电子也导致电流通过导体流动。由于这一特性，电子对于产生和传输电能是必不可少的。
• 照明：白炽灯泡、荧光灯和 LED 只是采用电子的一些照明技术示例。这些技术通过气体或固态物质传输电流，以激活电子产生光。
• 医学应用：X 射线和电子显微镜是医学如何利用电子的两个例子。X 射线是通过加速电子产生高能辐射而产生的，这种辐射可以穿过物体并拍摄身体内部部位的图像。另一方面，电子显微镜利用电子生成生物材料的高分辨率图像。
• 工业应用：焊接、电镀和电铸等工业过程都使用电子。这些过程利用电子传输能量并改变材料的物理特性。
• 可再生能源：电子对于生产和传输太阳能和风能等可再生能源是必不可少的。太阳能电池板和风力涡轮机中电子的运动分别将光子能和风动能转化为电能。

电子的行为现象

化学中的“电子构型”概念指定了电子在原子能级或轨道中的位置。电子构型是基于电子（围绕原子核的带负电荷粒子）的行为形成的。在原子核周围，电子分散在几个能级中，每个能级都有特定数量的亚能级或轨道。这些轨道可以容纳的电子数量影响原子的电子结构。

主量子数 (n) 指的是能级。亚能级字母 (s, p, d 或 f) 指的是轨道的形状，上标数字指的是轨道中电子的数量，用于表示原子的电子构型。

例如，碳的电子构型为 1s2 2s2 2p2，这表示它的第一个能级有两个电子，第二个能级的 s 轨道有两个电子，第二个能级的 p 轨道有两个电子。

理解原子的物理、化学和键合特性及其反应性，使用电子构型概念。原子如何与其他原子和分子相互作用取决于其轨道中电子的数量和组织方式。

电子的行为是许多化学过程的基础。以下是几个示例

• 当两个或多个原子共享或转移电子以形成新分子时，就会发生化学键合。原子如何连接，关键取决于价电子或最高能级电子的行为。为了形成更稳定的状态，价壳不完整的原子经常与其他原子建立化学相互作用。
• 导电性是指物质导电的能力。金属的导电性取决于电子在最低能级中的行为。与附着在特定原子上不同，金属中的电子形成一个“海洋”，可以在金属中自由移动。金属能够很好地导电，这要归功于它们的流动性。
• 当物质暴露在光下时，会发生一种称为光电效应的过程，这会导致电子从物质中释放出来。这种效应是基于电子在物质价壳中的行为而产生的。当光照射到物质时，它可以为电子提供足够的能量以消散原子核的吸引力，并导致物质发光。
• 氧化还原反应发生在电子在反应物之间转移时。在这些过程中，哪个原子将失去电子（氧化）或获得电子（还原）关键取决于价壳中电子的行为。
• 研究物质和电磁辐射如何相互作用被称为光谱学。这种相互作用是基于电子在原子和分子中的行为而存在的。当原子或分子受到辐射时，它们的电子会在特定波长处吸收或释放能量，这些波长可以被识别并用于确定组成。

许多化学现象，包括化学键合、导电性、光电效应、氧化还原反应和光谱学，都受到电子行为的极大影响。要理解这些现象，必须牢固掌握电子构型概念和电子在原子和分子中的行为。