לכל יסוד בטבע יש מספר שווה של אלקטרונים ופרוטונים (במצבו הנייטרלי). הפרוטונים מרוכזים בגרעין האטום, ואילו האלקטרונים מסודרים בקליפות (shells) מסביב לגרעין. לכל קליפה כזו יש אנרגיה שונה, ורק אנרגיות מסוימות מותרות – רמות האנרגיה הן מקוונטטות. אנרגית הקליפה מייצגת את כמות האנרגיה שיש להשקיע כדי להוציא ממנה אלקטרון (ליינן את האלקטרון), באופן שלא ניתן יהיה לומר שהוא קשור לאטום ממנו הוא הגיע – כלומר להפוך אותו לאלקטרון חופשי. האנרגיה של כל רמה משתנה מעט מאטום לאטום, אולם סידור האלקטרונים בקליפות הוא זהה עבור כל האטומים בטבע. בקליפה הקרובה ביותר לגרעין יש שני אלקטרונים, הבאה בתור מכילה 8 אלקטרונים, הבאה אחריה – 18 אלקטרונים וכן הלאה. ככל שהמרחק בין האלקטרונים בקליפה החיצונית לבין הגרעין גדול יותר, כך קטנה המשיכה לגרעין (אשר חוזקה פרופורציוני הפוך למרחק בריבוע).

בתור דוגמא ניקח את אטום מתכת האשלגן, המכיל 19 פרוטונים ו-19 אלקטרונים, אשר מסודרים כבאיור הבא:

דיאגרמת קליפות של אשלגן. התמונה באדיבות ויקיפדיה

האשלגן הוא דוגמא לחומר שבו האלקטרונים מוחזקים כל-כך חלש ע"י הגרעין, והמרחק בין האטומים בגביש הוא כל-כך קטן, שלא ניתן לומר איזה אלקטרון שייך לאיזה אטום. אנרגיית היינון של האלקטרונים הללו היא נמוכה, וזאת הסיבה שמתכות נוטות להיות במצב חימצון חיובי (בדר"כ +1או +2, ערך המתאים לאלקטרון אחד או שניים בקליפת הערכיות, בהתאמה). אוסף האלקטרונים החופשיים מכונה "ים של אלקטרונים". בגלל הקשר הרופף שלהם לגרעין, הם נוטים לנוע בחופשיות בין האטומים בגביש. תנועה זו היא אקראית ומתרחשת במידה שווה בכל הכיוונים. אולם, אם מפעילים כוח חיצוני על המתכת, ניתן לכוון את שטף האלקטרונים בכיוון אחד, וע"י כך ליצור זרם חשמלי.


מאת: נעה זמשטיין
המחלקה לפיזיקה כימית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

תגובה אחת

  • אורן

    שאלה לגבי האלקטרונים החופשיים

    עד עכשיו אני לא מצליח למצוא בשום מקום הגדרה למה הם האלקטרונים החופשיים. לדוגמא, קונפיגורציה אלקטרונית של ברזל היא:
    Ar] 4s2 3d6].
    מה הם האלקטרונים החופשיים, אלה שגורמים להולכת החשמל בברזל? האטומים באורביטל 4s, האטומים באורביטל 3d, או גם וגם?