از مدتها قبل ،انسان می داند که تمام مواد از ذرات بنیادی یا عناصر شیمیایی ساخته شده اند. از میان این مواد،مثلاً می توان از اکسیژن ،گوگرد ،و آهن نام برد .کوچکترین ذره آهن ،یک اتم آهن و کوچکترین ذره گوگرد ،یک اتم گوگرد نامیده می شود .
آهن خالص فقط دارای اتمهای آهن است و گوگرد خالصل نیز فقط اتمهای گوگرد دارد . اتمها جرمهای گوناگونی دارند .سبکترین آنها اتم هیدوژن است .
اتمهای آهن بسیار سنگینتر از هیدروژن و اتمهای "اورانیم" از اتمهای آهن سنگینترند ،یعنی جرمشان بیشتر است .واژه اتم ،از زبان یونانی گرفته شده و معنای آن در واقع "ناگسستنی" یا "تقسیم ناپذیر" است .
امروزه ما می دانیم که انها را هم می توان به اجزاء کوچکتر تقسیم کرد.ولی به هر حال ،اگر مثلاً یک اتم آهن را درهم بشکنیم ،اجزاء شکسته شده و دیگر آهن نیستند و خصوصیات آهن را ندارند به این دلیل است که در بسیاری از کتابهای شیمی تعریف زیر در باره واژه "اتم" آورده شده است :
"یک اتم کوچکترین سنگ بنای یک عنصرشیمیایی است که کلیه خصوصیات ویژه آن عنصر را دارا بوده و در صورت تقسیم آن به اجزاء کوچکتر ،این خصوصیات را از دست خواهد داد ".
اتمها در مقایسه با کلیه چیزهایی که ما در زندگی معمولی خود با آنها برخورد می کنیم ،خیلی خیلی کوچک هستند .قطر یک اتم تقریباً سانتیمتر یا 8 - 10×1 سانتیمتراست . با ذکر یک مثال می توان پی برد که اتمها چقدر کوچک هستند :
برروی کره زمین تقریباً 5 میلیارد نفر زندگی می کنند. اگر هر نفر را یک اتم حساب کنیم و با این اتمها یک زنجیر بسازیم طول این زنجیر به زحمت 50 سانتیمتر خواهد شد .
مولکول چیست؟ اتمها می توانند برای ایجاد ذرات بزرگنر با یکدیگر پیوند پیدا کنند و به اصطلاح "مولکولها " را تشکیل دهند.به عنوان مثال ،دو اتم اکسیژن با یکدیگر تشکیل یک مولکول اکسیژن را می دهند. در طبیعت اغلب اوقات اتفاق می افتد که امهای عناصر مختلف به صورت مولکول با یکدیگر اتحاد می یابند .
یکی از معروفترین این اتحادها مولکول آب است . که ازیک اتم اکسیژن و دو اتم هیدوژن تشکیل شده است . یک مولکول آمونیاک ،یک اتم نیتروژن وسه اتم هیدوژن دارد .
آب و آمونیاک برخلاف اکسیژن و کربن عناصر شیمیایی نیستند بلکه ترکیبات شیمیایی از عناصر متقاوت هستند .کوچکترین ذره چنین ترکیبی مولکول نامیده می شود .چنانچه یک مولکول آب را تجزیه کنیم خصوصیات آب از دست می رود و فقط ذرات تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن باقی می مانند که خصوصیاتی کاملاً متفاوت با آب دراند .
مولکولهانیز مثل اتمها به طرز غیرقابل تصوری کوچک هستند دریک لیوان ـ آب معمولی تقریباً 6000000000000000000000000 یا 24 10×6 مولکول آب وجود دارد . اگر این لوان آب را به میزان مساوی بر روی تمام اقیانوسها و دریاهای کره زمین پخش کنیم درهر لیتر از آب دریاها ،چندین هزار مولکول از آب لیوان وجود خواهد داشت .
? ساختار اتم چیست ؟
تقریباً 75سال پیش "ارنست رادر فورد " در انگلستان مطلبی را کشف کرد که فیزیک اتمی جدید را بنیان گذارد . اما اکنون به این مطلب می پردازیم .این فیزیکدان بریتانیایی یک ورق نازک طلایی را مورد اصابت ذرات آلفا قرار داد تا درون اتمها را شناسایی کند .
اگر مواد در یک چنین ورق فلزی بطور متناسب و یکنواخت پخش بودند ذرات آلفا درهمان مسیر پرواز خود به حرکت ادامه می دادند،اگر چه در این حالت کمی از سرعت ذرات آلفا کاسته می شد. تمام "ذرات آلفا" تقریباً به همین شکل رفتار کردند .البته تعداد کمی نیز کاملاً از مسیر خود منحرف شدند درست مثل اینکه به یک گلوله کوچک اما خیلی سنگین برخورد کرده باشند "رادرفورد " از این آزمایش چنین نتیجه گیری کرد که تقریبا تمام جرم اتم طلا در یک هسته بسیار کوچک وناچیز تمرکز یافته است .
هسته اتم کشف شده بود.امروزه ما دقیقاً می دانیم ساختار اتم چیست ."اتم مانندیک منظومه شمسی کوچک است ". در مرکز اتم یک هسته بسیار کوچک قرار دارد که از نظر الکتریکی دارای بار مثبت است و تقریباً تمام جرم اتم را تشکیل می دهد به دور این هسته ذرات کوچک و بسیار سبکی که دارای بار الکتریکی منفی هستند یعنی الکترونها در حرکت هستند.
اتمها ی سنگین ترین فلزات در وقاع دارای "ساختمانی اسفنجی " هستند و تقریبا فقط از فضای خالی تشکیل شده اند اگر هسته اتم را به برزگی یک گیلاس فرض کنیم ،ساختمان اتم با مدارهای اکترونی خود تقریبا به بزرگی "کلیسای دم " در شهر کلن خواهد بود .
قطر هسته اتم تقریبا برابر سانتیمتر یا 12- 10سانتیمتر می باشد به عبارت دیگر 100میلیارد هسته اتم درکنار هم زنجیری به طول یک میلیمترخواهند ساخت .
ساده ترین اتم هیدروژن است . دراین اتم فقط یک الکترون به دور هسته بسیار کوچکی می گردد . در شرایط عادی این اکترون فقط پنج میلیارددم سانتیمتر یا 9- 10×5 سانتیمتر از هسته فاصله دارد .اما این الکترون می تواند روی مدارهای دور تری نسیت به هسته نیز قرار گیرد و در اینجاست که متاسفانه و جه تشابه بین اتم و منظومه شمسی از بین می رود .
حرکت الکترون فقط روی مدارهای ویژه و معین یا به عبارت دیگر"تراز انرژی " مشخصی امکان پذیر می بادش در حالی که سیاره ها در هر فاصله دلخواهی از خورشید می توانند حرکت کنند مثلا اگریک الکترون از یک مدار داخلی یا به عبارت دیگراز یکتراز پر انرژی تر به یک مدارداخلی یا یک تراز کم انرژی تر منتقل شود مقدار انرژی به شکل یک ذره یا "کوانت نوری " یا "فوتون" رها می وشد چون فقط مدارها یا ترازهای انرژی کاملاً معینی وجود دارد در نتیجه فقط ذره های نوری یا انرژی کاملاً معینی نیز منتشر خواهند شد و به عبارت دیگردرنمودار موجی طول موجهای کاملا معینی پدیدار می شوند که انسان ار روی آنها می تواند درتمام کیهان یک انم هیدروژن را باز شناسایی کند.
این مطلب برای سایر عناصر شیمیایی نیزصادق است زیر بنای علم "طیف نگاری و طیف شناسی " می باشد که به کمک آن مثلا می توان تشخیص داد چه نوع اتمهایی در آتمسفر خورشید وجود دارند .

هر یک از الکترونهای لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کنند. 
 

الکترون رسانش

اتمهای هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملا مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شده‌اند، به همدیگر مقید هستند. بنابراین الکترونهایی که قیدشان در ضعیفترین حد است (الکترون ظرفیت) می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند. این الکترونهای متحرک که الکترون رسانش نامیده می‌شود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.


 

• مدل گاز آزاد فرمی: برای فلزهای ساده مانند

 (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li)

•  سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیونها بدون برهمکنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یونها ، می‌توان محاسبه کرد. در این مدل ، انرژی مجاز الکترونهای رسانشی پیوسته‌اند و در انرژی فرمی ε_f با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.
  
   

•  

•  خواص الکترونی: وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال می‌شود الکترونهای رسانش شروع به شتاب گرفتن می‌کنند. اما برخورد این الکترونها با ناخالصیها به فوتونها ، ناکاملیهای شبکه ، حرکتشان را کند می‌کند، این فرآیند منجر به حالتی مانا می‌شوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از  v = -eET/m که در آن e بار الکترون، E میدان الکتریکی ، T  زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.

•  

• سرعت سوق الکترون: میانگین سرعتی که با آن الکترونها یا یونها ، بر اثر میدان الکتریکی در ماده‌ای رسانا یا نیم رسانا جابجا می‌شوند. نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حاملهای (الکترونها و حفره‌های رسانش) آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترونها و حفره‌ها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد. اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولا بین 10²² تا 10²⁶ الکترون یا حفره در هر متر مکعب است. در غیاب میدان الکتریکی این حاملها در جهت کاتوره‌ای در جسم حرکت می‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمی‌آورند.

• هر گاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حاملها نیروی الکتریکی وارد می‌شود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده می‌شود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی می‌انجامد. اما حاملها با اتمها و نقص بلور ، مانند ناخالصیها و دررفتگیها نیز برهمکنش و برخورد نیز دارند و این برخوردها سبب میشوند سرعت الکترون کاتوره‌ای شود. به این ترتیب الکترونها و حفره‌ها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند. و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص می‌شود.

• سرعت برخورد برابر است با V_p = eTE/m  که در آن E میدان الکتریکیاعمال شده بر حسب ولتمتر را ، e  بار الکترون و  ^*m  جرم مؤثر حامل است.

اسپین الکترون

اسپین یکی از ویژگیهای درونی ذرات است. اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانه زاویه‌ای ذره ساکن مربوط می‌شود، اینکه الکترونها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است. اسپین الکترون در شیمی و در جنبه‌هایی از رفتار ماده معمولی ، بویژه در پدیده‌های مغناطیسی نقش اساسی ایفا می‌کند. الکترون حامل اسپین 1/2 هسته و این بدان معنی است که برای الکترون ساکن اندازه گیری تکانه زاویه ای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجه ممکن

 ±  ?/2

می‌انجامد  ? = h/2π  ثابت کاهیده پلانک است.

اسپین الکترون دو پیامد نیزدیکی دارد: یکی اینکه الکترونها را به صورت آهنربایی میکروسکوپیکی در می‌آورد، که هم میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند. دیگر اینکه یک درجه آزادی داخلی نمی‌توانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترونها مربوط می‌شود. 
 

پراش الکترون

فیزیک کلاسیک ، الکترونها را ذراتی در نظر می‌گیرد با جرم و بار معین ، برهمکنش الکترون با میدانهای الکتریکی و مغناطیسی را می‌توان بر حسب حرکت ذره توضیح داد. آزمایشهای اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم می‌آورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح می‌اندازند. این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملا سازگار است.

 چون طول موج دوبروی الکترون بسیار کوچکتر از اندازه جسم است، اثر پراش بسیار کوچکتر از آن است که دیده شود. بلافاصله بعد از اینکه دوبروی اظهار نظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والتر الساسر اعلام کرد که پراش الکترونها باید در سطح بلور قابل مشاهده باشد.

نگاه اجمالی

ذره بنیادی پایداری با بار الکتریکی منفی 1.602X10^-31  کولن و جرم در حال سکون 9.109X10^-19  کیلوگرم. الکترونها در همه اتمها حضور دارند و در لایه‌های خاصی به دور هسته اتم می چرخند. 
 

سیر تحولی و رشد

در نظریه‌های دالتون و و نظریه‌های یونانیان ، اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند. اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه ، نتیجه آزمایشهایی بود که با الکتریسیته به عمل آمد. در 1807 - 1808 شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته ، پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد و دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند بهم وصل می‌شوند.

در سال 1833 - 1832 مایکل فارادی مجموعه آزمایشهای مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرآیند برقکافت ، مواد مرکب بوسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی ، جرج جانستون استونی در سال 1874 به طرح این مسأله پرداخت که: واحدهای بار الکتریکی با اتمها پیوستگی دارند. او در سال 1891 این واحد را الکترون نامید.

در سالهای پایانی سده نوزدهم میلادی بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر می‌شود: یکی به صورت الکترون با جرم 9.109534X10^-31  کیلو گرم و بار منفی  1.602X10^-19 کولن و دیگری به صورت پروتون با جرم 1.672623X10^-27  کیلو گرم و بار 1.602177X^-19 کولن  اعتقاد بر این بود که اتمها (و در نتیجه مولکولها) از ترکیب الکترونها و پروتونها شکل می‌گیرد. در اوایل دهه 1930 معلوم شد که همه اتمها (بجز هیدروژن) از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی و با جرم 1.675X10^-27  و بدون بار الکتریکی مثبت تشکیل می‌شود. همچنینی کشف شد که الکترون مثبت (یا پوزیترون) نیز با جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظه‌ای) وجود دارد. 

ساختار اتم الکترونی

چنانچه گفته شد اتمها از ترکیب الکترونها و پروتونها شکل گرفته‌اند و هسته اتمها نیز از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی تشکیل شده است. به این ترتیب ، اتم خنثی هسته‌ای با بار مثبت دارد که با الکترونهای (منفی) احاطه شده است. اندازه هسته در هر اتم از مرتبه حدود 1/10 اندازه‌ اتم است. بقیه حجم اتم را الکترونهای مداری در اشغال خود دارند. 
 

انتقال الکترونها

در رسانای الکتریسته (که معمولا از جنس فلزند) ، مسیرهایی برای انتقال سریع الکترونها وجود دارد. یونها (اتمها و مولکولهای با بار الکتریکی مثبت یا منفی در محلولها) نیز می‌توانند رساننده الکتریسته باشند. الکتریسته می‌تواند در هوا یا گازهای دیگر نیز منتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقه‌ای است که چشمه‌ای با ولتاژ زیاد (چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله) آن را در فشار جو بوجود می‌آورد. و یا در فشار کم نظیر آنچه در لامپهای نئونی روی می‌دهد به صورت تخلیه الکتریکی است. 
 

گسیل الکترون

فلزات داغ الکترونهای فراوانی گسیل می‌کنند که آنها را می‌توان در خلأ خوب به صورت پرتوهای کاتدی شتاب داد. این پرتوهای تولید شده در لامپ کاتدی را می‌توان به کمک میدانهای الکتریکی و مغناطیسی فلوئورتاب کانونی کرد. لامپهایی که بر این اساس کار می‌کنند در میکروسکوپهای الکترونی ، صفحه‌های نمایشی رایانه‌ها و همچنین در تلویزیونها کاربرد دارد..

بر اثر کوششهایی که برای عبور جریان برق در خلا به عمل آمد ، یولیوس پلوکر در 1859 پرتوهای کاتدی را کشف کرد. موضوع از این قرار بود که دو الکترود در یک لوله شیشه‌ای وارد کردند و پس از مسدود کردن لوله ، هوای آنرا تقریبا بطور کامل بیرون کشیدند. وقتی یک ولتاژ زیاد بین دو الکترود برقرار گردید، از الکترود منفی که کاتد نامیده می‌شود پرتوهایی گسیل یافت. این پرتوها بار منفی دارند، بر خط راست سیر می‌کنند و بر دیواره مقابل کاتد موجب تلألو می‌شوند. لامپهای تصویری که در صفحه تلویزیون و صفحه نمایشهای کامپیوتری بکار می‌روند. لوله‌های پرتو کاتدی جدیدی هستند، در این لامپها پرتوها بر صفحه‌ای متمرکز می‌شوند. این صفحه با موادی پوشیده شده‌ که هنگام برخورد با تابش پرتوها درخشش ایجاد می‌کنند.

در اواخر سده نوزدهم ، پرتوهای کاتدی بطور وسیعی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایشهای متعدد دانشمندان به این نتیجه انجامید که پرتوهای مذکور جریانی از ذرات بار دار منفی است که حرکتی سریع دارند. این ذرات همانطور که استونی پیشنهاد کرده بود الکتروننامیده شد. این الکترونها که از فلز کاتد ناشی می‌شوند همواره یکسانند و به جنس فلز بستگی ندارند. چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می کنند، جریان الکترونهایی که پرتوی کاتدی را بوجود می‌آورند هرگاه از میان دو صفحه با بارهای مخالف بگذرند به طرف صفحه‌ای که بار مثبت دارد کشیده می‌شوند. بنابراین پرتوهای کاتدی در یک میدان الکتریکی از مسیر عادی مستقیم خود منحرف می‌شوند. درجه این اختلاف به دو عامل بستگی دارد:

1. انحراف بطور مستقیم با اندازه بار ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای که بار بیشتری دارد بیشتر از ذره‌ای که بار کمتری دارد منحرف می‌شود.

2. انحراف بطور معکوس با جرم ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای با جرم بزرگتر کمتر از ذره‌ای با جرم کوچکتر منحرف می‌شود.

انواع الکترونها

الکترون آزاد

الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد. الکترونهای بیرونی‌ترین لایه‌های اتمهای فلزات بستگی کمتری نسبت به اتمهای خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتمها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز ، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند. هنگامی که الکترونهای آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید. 
 

الکترون اوژه

الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. الکترون اوژه از بازآرایی الکترونهای مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد. این بازآیی از واکنش الکترون - الکترون که مولد نیروی دافعه است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته فایق آید، صورت می‌گیرد. با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترونهای تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود.