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元器件与技术 #145

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运动的电子

原子和电子

电是电子 运动的物理表现。 电子是微小的亚原子物质,带负电荷。

所有的物质都是由原子 组成的,每个原子中心都有一个原子核,带净的正电荷。 每个原子内部又有一个或多个带负电荷的电子以量子化形式围绕着带正电的原子核高速运动

听到电子“绕”原子核运动,似乎没有什么不寻常,但这种说法并不是完全准确的,至少对于传统的“绕 ”的含义来说并不准确。电子绕原子核运动的方式不像行星围绕恒星的运动,也不像卫星围绕地球的运行方式,但是这样类比已经很接近我们的目的了。

事实上,原子的结构更像在原子核周围包裹着一层层的“云”,电子位于“云”中的某处。一种考虑方法是把这些“云”想成概率云,电子有很高的概率位于特定的某一层。 由于量子物理学的怪异原理,我们在任何给定的时间内都不能在不造成破坏的情况下直接确定电子的位置,但是我们可以通过间接测量来推断它的位置。这真是有点让人心烦,我们就不再深入讨论这个问题了

大多数原子核由两种基本粒子组成:质子 和中子 。氢原子是例外,它的原子核中只有一个带正电的质子。原子核中可能有多个质子,具体取决于它是哪一种原子(铁、硅、氧原子等)。每个质子都带一个正电荷(称为单位电荷 )。大多数原子也含有多个中子,中子和质子的质量相近,却不带电荷(你可以认为它们是原子核的压载物)。

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原子核中的质子带+1单位电荷,与电子的-1单位电荷相抵消,所以整个原子呈电中性,即原子处于稳定状态。 如果原子丢失一个电子,它将带净的正电荷;而如果原子得到一个电子,它将带净的负电荷。

原子中的电子以轨道壳层 (即前文所述“云”)的方式排布,最外层称为价电子层 。

传统理论认为每个壳层都有唯一的能量等级,每层都能约束特定数量的电子。 最外层一般决定原子的化学和导电特性,依据是原子得失电子的难易程度。有些元素的价电子层是“不完整”的,例如金属。“不完整”的意思是该层的电子数小于最大可能电子数,该元素化学性质活泼,能与其他原子交换电子。当然,实际情况比这要复杂得多

例如,铜原子有29个电子,其中一个在28个电子组成的主组之外(这28个电子应当排布在原子核周围的各个壳层内,此处为了清晰表示而没有画出) 这个单独的最外层电子就是铜的价电子。由于铜原子的价电子层不完整,这个电子结合得并不紧密,因此铜原子要把它传递出去并不费多大力气。换句话说,铜是相对良好的导体。

另一方面,硫这样的元素最外层电子数完整,不容易释放电子。硫是导电性最差的元素之一,因此它是良好的绝缘体。银是导电性最好的元素,这也解释了它为何在电子学中应用广泛。铜的导电性次之,再往后是金。

然而,还有一些其他元素传递电子的性质比较模棱两可,但是在特定的情况下会导电。它们叫作半导体 ,是现代电子工业的关键物质。

电荷和电流