Electrons

Electrons are fundamental subatomic particles that play a key role in the structure of atoms and the behavior of matter. Here’s a detailed breakdown:

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Basic Properties

1. Charge: Electrons have a negative electric charge of $-1.602 \times 10^{-19}$ coulombs.
2. Mass: The mass of an electron is about $9.109 \times 10^{-31}$ kilograms, approximately 1/1836 of the mass of a proton.
3. Spin: Electrons are fermions with a quantum spin of $1\mathrm{/}2$, meaning they have intrinsic angular momentum.
4. Symbol: The electron is represented by the symbol $e^{-}$.

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Role in Atoms

1. Atomic Structure:

   • Electrons orbit the nucleus of an atom in regions called atomic orbitals.
   • The nucleus consists of protons and neutrons, while electrons balance the positive charge of protons to make atoms electrically neutral.

2. Energy Levels:

   • Electrons occupy discrete energy levels or shells.
   • Transitions between energy levels result in the absorption or emission of photons (quantized energy).

3. Valence Electrons:

   • Electrons in the outermost shell determine chemical bonding and reactivity.
   • Elements with the same number of valence electrons exhibit similar chemical properties.

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Quantum Mechanical Properties

1. Wave-Particle Duality:

   • Electrons exhibit both wave-like and particle-like behavior, described by quantum mechanics.
   • They can interfere and diffract like waves but also impact surfaces like particles.

2. Heisenberg Uncertainty Principle:

   • It is impossible to precisely determine both the position and momentum of an electron simultaneously.

3. Quantum Numbers:

   • Each electron in an atom is described by four quantum numbers:
     1. Principal Quantum Number ($n$): Specifies the energy level.
     2. Angular Momentum Quantum Number ($l$): Describes the shape of the orbital.
     3. Magnetic Quantum Number ($m_l$): Specifies the orientation of the orbital.
     4. Spin Quantum Number ($m_s$): Indicates the spin direction ($+1\mathrm{/}2$ or $-1\mathrm{/}2$).

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Interactions and Behavior

1. Electromagnetic Force:

   • Electrons are influenced by electric and magnetic fields due to their charge.

2. Conductivity:

   • Free electrons in metals and semiconductors facilitate the conduction of electricity.

3. Electron Capture and Beta Decay:

   • Electrons participate in nuclear processes such as beta decay, where a neutron decays into a proton, emitting an electron and an antineutrino.

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Applications

1. Electronics:

   • Movement of electrons in circuits powers modern electronic devices.

2. Spectroscopy:

   • Energy transitions of electrons provide insights into the composition and structure of materials.

3. Quantum Computing:

   • Electron spins are being explored as qubits for quantum computation.

4. Microscopy:

   • Electron beams are used in electron microscopes to visualize structures at atomic scales.

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Discovery

• Discovered by J.J. Thomson in 1897 using cathode ray experiments.
• The electron’s charge was precisely measured by Robert Millikan in his oil-drop experiment (1909).

Cathode Ray Experiment – Full Explanation

The Cathode Ray Experiment was conducted by J.J. Thomson in 1897, leading to the discovery of the electron—the first identified subatomic particle. This experiment demonstrated that atoms are not indivisible, as previously thought, but contain smaller negatively charged particles.

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1. Experimental Setup

Thomson used a discharge tube, a sealed glass tube with electrodes at both ends, containing a gas at low pressure (~0.01 mmHg). The setup included:

• Cathode (negative electrode) and Anode (positive electrode)
• A high voltage (~10,000V) power supply to create an electric field
• Fluorescent screen to detect rays
• External magnetic and electric fields to study the behavior of the rays

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2. Observations & Key Findings

(A) Formation of Cathode Rays

• When high voltage was applied, a beam of rays emerged from the cathode and traveled toward the anode.
• These rays produced a green fluorescence when they struck the glass wall of the tube.
• When an object (e.g., a metal cross) was placed in their path, a shadow was formed on the tube’s wall, proving that the rays traveled in a straight line.

(B) Response to Electric and Magnetic Fields

• When an electric field was applied using charged plates, the rays deflected toward the positive plate, indicating they were negatively charged.
• Similarly, in the presence of a magnetic field, the rays deflected in a way consistent with negatively charged particles.
• This proved that the rays were not neutral but carried negative charge.

(C) Independence from the Type of Gas or Electrode

• When the experiment was repeated using different gases and electrode materials, the behavior of the cathode rays remained the same.
• This indicated that the particles in the rays were universal and present in all atoms, not specific to any particular element.

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3. Conclusion & Discovery of the Electron

From these observations, J.J. Thomson concluded:
✅ Cathode rays are made of negatively charged particles, later named electrons.
✅ These particles are much lighter than atoms, meaning atoms are divisible.
✅ Electrons are fundamental components of all atoms.

Thomson calculated the charge-to-mass ratio (e/m) of electrons:

$$\frac{e}{m} = 1.76 \times 10^{11} \text{ C/kg}$$

(Where e is the charge and m is the mass of an electron.)

Later, Robert Millikan’s Oil Drop Experiment (1909) determined the charge of an electron (1.602 × 10⁻¹⁹ C), allowing the mass to be calculated as 9.109 × 10⁻³¹ kg.

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4. Significance of the Experiment

📌 Disproved Dalton’s Atomic Theory, which stated atoms were indivisible.
📌 Led to the Plum Pudding Model, where electrons were embedded in a positively charged sphere.
📌 Foundation for Modern Atomic Theory, eventually leading to Rutherford and Bohr’s models.

This experiment marked the beginning of modern particle physics and paved the way for understanding atomic structure.

IN HINDI :-

इलेक्ट्रॉन मूलभूत उपपरमाण्विक कण (subatomic particles) हैं जो परमाणुओं की संरचना और पदार्थ के व्यवहार में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। यहाँ इसका विस्तृत विवरण दिया गया है:

मूलभूत गुण

• आवेश (Charge): इलेक्ट्रॉनों का ऋणात्मक विद्युत आवेश होता है, जिसका मान −1.602×10⁻¹⁹ कूलॉम्ब है।
• द्रव्यमान (Mass): एक इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान लगभग 9.109×10⁻³¹ किलोग्राम होता है, जो प्रोटॉन के द्रव्यमान का लगभग 1/1836 भाग होता है।
• स्पिन (Spin): इलेक्ट्रॉन एक फ़र्मियन (fermion) होते हैं, जिनका क्वांटम स्पिन 1/2 होता है, यानी उनके पास अंतर्निहित कोणीय संवेग (angular momentum) होता है।
• प्रतीक (Symbol): इलेक्ट्रॉन को e⁻ से दर्शाया जाता है।

परमाणु में भूमिका

परमाणु संरचना (Atomic Structure):

• इलेक्ट्रॉन परमाणु के नाभिक (nucleus) के चारों ओर कक्षाओं (atomic orbitals) में परिक्रमा करते हैं।
• नाभिक में प्रोटॉन और न्यूट्रॉन होते हैं, जबकि इलेक्ट्रॉन प्रोटॉनों के धनात्मक आवेश को संतुलित करके परमाणु को विद्युत रूप से उदासीन (neutral) बनाते हैं।

ऊर्जा स्तर (Energy Levels):

• इलेक्ट्रॉन विशिष्ट ऊर्जा स्तरों (energy levels) या कोशों (shells) में स्थित होते हैं।
• ऊर्जा स्तरों के बीच परिवर्तन (transition) होने पर, इलेक्ट्रॉन फोटॉन (quantized energy) का अवशोषण या उत्सर्जन करते हैं।

संयोजी इलेक्ट्रॉन (Valence Electrons):

• बाहरीतम कोश (outermost shell) में मौजूद इलेक्ट्रॉन किसी तत्व की रासायनिक बंधन (chemical bonding) और अभिक्रियाशीलता (reactivity) निर्धारित करते हैं।
• जिन तत्वों के संयोजी इलेक्ट्रॉनों की संख्या समान होती है, वे समान रासायनिक गुण प्रदर्शित करते हैं।

क्वांटम यांत्रिक गुण (Quantum Mechanical Properties)

तरंग-कण द्वैत (Wave-Particle Duality):

• इलेक्ट्रॉन तरंग और कण दोनों की तरह व्यवहार कर सकते हैं, जिसे क्वांटम यांत्रिकी द्वारा समझाया जाता है।
• वे तरंगों की तरह व्यतिकरण (interference) और अपवर्तन (diffraction) कर सकते हैं, लेकिन सतह पर कणों की तरह टकरा भी सकते हैं।

हाइजेनबर्ग अनिश्चितता सिद्धांत (Heisenberg Uncertainty Principle):

• इलेक्ट्रॉन की स्थिति और संवेग (momentum) को एक साथ सटीक रूप से मापा नहीं जा सकता।

क्वांटम संख्याएँ (Quantum Numbers):

प्रत्येक इलेक्ट्रॉन को चार क्वांटम संख्याओं द्वारा वर्णित किया जाता है:

1. प्रधान क्वांटम संख्या (n): ऊर्जा स्तर निर्दिष्ट करता है।
2. कोणीय संवेग क्वांटम संख्या (l): कक्षक (orbital) का आकार दर्शाता है।
3. चुंबकीय क्वांटम संख्या (mₗ): कक्षक की दिशा निर्दिष्ट करता है।
4. स्पिन क्वांटम संख्या (mₛ): स्पिन दिशा को दर्शाता है (+1/2 या −1/2)।

इलेक्ट्रॉनों की पारस्परिक क्रियाएँ और व्यवहार

विद्युतचुंबकीय बल (Electromagnetic Force):

• इलेक्ट्रॉन अपने आवेश के कारण विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा प्रभावित होते हैं।

चालकता (Conductivity):

• धातुओं और अर्धचालकों (semiconductors) में मुक्त इलेक्ट्रॉन (free electrons) विद्युत प्रवाह (electric current) उत्पन्न करने में सहायक होते हैं।

इलेक्ट्रॉन ग्रहण (Electron Capture) और बीटा क्षय (Beta Decay):

• इलेक्ट्रॉन परमाणु नाभिकीय प्रक्रियाओं में भाग लेते हैं, जैसे कि बीटा क्षय, जिसमें न्यूट्रॉन एक प्रोटॉन में परिवर्तित होता है और एक इलेक्ट्रॉन तथा एक एंटी-न्यूट्रिनो उत्सर्जित करता है।

अनुप्रयोग (Applications)

1. इलेक्ट्रॉनिक्स: सर्किट में इलेक्ट्रॉनों की गति आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को शक्ति प्रदान करती है।
2. स्पेक्ट्रोस्कोपी: इलेक्ट्रॉन ऊर्जा संक्रमण (energy transitions) पदार्थों की संरचना और संघटन की जानकारी प्रदान करता है।
3. क्वांटम कंप्यूटिंग: इलेक्ट्रॉन स्पिन को क्वांटम बिट्स (qubits) के रूप में प्रयोग किया जाता है।
4. सूक्ष्मदर्शी (Microscopy): इलेक्ट्रॉन किरणों का उपयोग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप में अणुस्तरीय संरचनाओं को देखने के लिए किया जाता है।

खोज (Discovery)

• जे. जे. थॉमसन ने 1897 में कैथोड किरण प्रयोगों (cathode ray experiments) के माध्यम से इलेक्ट्रॉन की खोज की।
• रॉबर्ट मिलीकन ने 1909 में अपने तेल-बूँद प्रयोग (oil-drop experiment) द्वारा इलेक्ट्रॉन के आवेश को सटीक रूप से मापा।

कैथोड किरण प्रयोग – संपूर्ण व्याख्या

कैथोड किरण प्रयोग को जे. जे. थॉमसन ने 1897 में किया था, जिससे इलेक्ट्रॉन की खोज हुई। यह पहला उपपरमाण्विक कण था जिसकी पहचान की गई। इस प्रयोग से यह सिद्ध हुआ कि परमाणु अविभाज्य नहीं होते, बल्कि इनमें छोटे, नकारात्मक रूप से आवेशित कण होते हैं।

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1. प्रयोग की संरचना (Experimental Setup)

थॉमसन ने एक डिस्चार्ज ट्यूब (vacuum tube) का उपयोग किया, जिसमें बहुत कम दबाव वाली गैस (~0.01 mmHg) थी। इसमें निम्नलिखित भाग थे:

• कैथोड (ऋणात्मक इलेक्ट्रोड) और एनोड (धनात्मक इलेक्ट्रोड)
• उच्च वोल्टेज (~10,000V) का स्रोत, जिससे विद्युत क्षेत्र उत्पन्न किया गया
• फ्लोरोसेंट स्क्रीन, जो किरणों की उपस्थिति दिखाने के लिए
• बाहरी विद्युत एवं चुंबकीय क्षेत्र, ताकि किरणों के व्यवहार को अध्ययन किया जा सके

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2. अवलोकन और प्रमुख निष्कर्ष

(A) कैथोड किरणों का निर्माण

• जब उच्च वोल्टेज लगाया गया, तो कैथोड से निकलने वाली एक किरण एनोड की ओर बढ़ी।
• जब ये किरणें कांच की दीवार से टकराईं, तो हरे रंग की चमक उत्पन्न हुई।
• जब किरणों के मार्ग में कोई अवरोध (जैसे धातु का क्रॉस) रखा गया, तो एक छाया बनी, जिससे सिद्ध हुआ कि ये किरणें सीधे रेखा में यात्रा करती हैं।

(B) विद्युत और चुंबकीय क्षेत्रों के प्रति प्रतिक्रिया

• जब किरणों पर विद्युत क्षेत्र लगाया गया, तो वे धनात्मक प्लेट की ओर मुड़ गईं, जिससे साबित हुआ कि वे ऋणात्मक आवेशित हैं।
• इसी प्रकार, जब चुंबकीय क्षेत्र लगाया गया, तो भी किरणें ऋणात्मक चार्ज वाले कणों की तरह विक्षेपित हुईं।
• इसने प्रमाणित किया कि ये किरणें निष्प्रभावी (neutral) नहीं हैं, बल्कि इनमें ऋणात्मक आवेश होता है।

(C) गैस या इलेक्ट्रोड के प्रकार से स्वतंत्रता

• जब इस प्रयोग को अलग-अलग गैसों और इलेक्ट्रोड सामग्रियों के साथ दोहराया गया, तो कैथोड किरणों का व्यवहार सदैव समान रहा।
• इससे यह निष्कर्ष निकला कि ये कण सार्वभौमिक (universal) हैं और सभी परमाणुओं में मौजूद होते हैं।

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3. निष्कर्ष और इलेक्ट्रॉन की खोज

इन अवलोकनों से जे. जे. थॉमसन ने यह निष्कर्ष निकाला:
✅ कैथोड किरणें ऋणात्मक आवेशित कणों से बनी होती हैं, जिन्हें बाद में इलेक्ट्रॉन नाम दिया गया।
✅ ये कण परमाणु से कहीं हल्के होते हैं, जिसका अर्थ है कि परमाणु विभाज्य है।
✅ इलेक्ट्रॉन सभी परमाणुओं के मौलिक घटक हैं।

थॉमसन ने इलेक्ट्रॉन के आवेश-से-द्रव्यमान अनुपात (e/m) की गणना की:

$$\frac{e}{m} = 1.76 \times 10^{11} \text{ C/kg}$$

(जहाँ e = इलेक्ट्रॉन का आवेश, और m = इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान)

बाद में, रॉबर्ट मिलीकन ने अपने तेल-बूँद प्रयोग (Oil Drop Experiment, 1909) द्वारा इलेक्ट्रॉन के आवेश को 1.602 × 10⁻¹⁹ कूलॉम्ब मापा। इससे इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान 9.109 × 10⁻³¹ किलोग्राम निकला।

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4. प्रयोग का महत्व

📌 डल्टन के परमाणु सिद्धांत को गलत साबित किया, जिसमें कहा गया था कि परमाणु अविभाज्य हैं।
📌 थॉमसन के प्लम पुडिंग मॉडल की नींव रखी, जिसमें परमाणु को धनात्मक क्षेत्र में फैले इलेक्ट्रॉनों के रूप में बताया गया।
📌 आधुनिक परमाणु संरचना की खोज का आधार बना, जिससे आगे चलकर रदरफोर्ड और बोहर के मॉडल विकसित हुए।

यह प्रयोग आधुनिक कण भौतिकी (Modern Particle Physics) की शुरुआत थी और परमाणु संरचना को समझने की दिशा में एक क्रांतिकारी खोज साबित हुआ।