كيف تم اكتشاف الإلكترون؟ ويلعب الإلكترون دورًا حيويًا وفعالًا في الظواهر الفيزيائية وأيضًا في التفاعلات الكهرومغناطيسية من حولنا ، وكذلك في التفاعلات الكيميائية والكهرباء والمغناطيسية والعمليات الأخرى التي تحدث في الكون ، وأهمية الإلكترون ودوره المحوري في معظم التفاعلات والعمليات التي تحدث من حولنا. من خلال هذه المقالة نقدم كيفية اكتشاف الإلكترون ولمحة عامة موجزة عن الإلكترون ومكتشفه.
ما هو الإلكترون؟
يُعرف الإلكترون ، الذي يرمز إليه بالرمز (–e) ، بالجسيم الذري الكروي وهو المكون الأساسي للذرة ، وهو نصف الوحدة الكاملة (ħ) ، مما يعني أنه فيرميون (بوزيترون) ، وهو عكس الإلكترون وهو متطابق معه جميعًا إلا أنه عكسه في الإشارة التي يحملها.
وينتمي الإلكترون إلى الجيل الأول من جسيمات ليبتون التي تساعد وتساهم في القوى الأساسية النووية الضعيفة والجاذبية الكهرومغناطيسية. يمتص أو ينتج الطاقة على شكل فوتونات تحيط بالنواة تتكون من البروتونات والنيوترونات ثم تشكل معًا ذرة ويساهم الإلكترون بنسبة صغيرة جدًا تبلغ 0.06٪ من كتلة الذرة.
التاريخ الإلكتروني
قبل الكلمة الأخيرة حول اكتشاف الإلكترون وبداية صياغته في المراجع العلمية ودراسته التفصيلية والمدروسة ، كان للإلكترون تاريخ طويل في أوقات مختلفة ، ومن أهم هذه التواريخ ما يلي:
- كانت هذه المراحل والتجارب التاريخية الأولى التي مرت بها البشرية في اكتشاف الإلكترون بالكهرباء ، وكان هذا وفقًا لليونانيين القدماء عندما لاحظوا جاذبية الأشياء للعنبر عندما قاموا بفركها بقطعة قماش.
- أشار العالم والفيزيائي الإنجليزي ويليام جيلبرت في إحدى أوراقه في عام 1600 م إلى مصطلح صاغه من اللاتينية الجديدة وأطلق عليه (electricus) للدلالة على خاصية جذب الأشياء البسيطة بعد احتكاكها ، وهو مأخوذ من المصطلح اليوناني القديم للعنبر.
- في عام 1737 م ، اكتشف عالمان ، هوكسبي وتشارلز دي فاي ، وجود شحنتين كهربائيتين ، أحدهما ناتج عن احتكاك الزجاج والآخر عن طريق احتكاك الراتنج. قدم لأول مرة.
- أثبت عالم الطبيعة البريطاني ريتشارد لامينج أيضًا في الفترة 1838: 1851 م أن الذرة تتكون من مادة محاطة بجزيئات ذرية غير الذرة وتتكون من شحنات كهربائية.
- في عام 1846 م ، أثبت العالم الألماني جابر نظريته بأن الكهرباء تتكون من سائلين من الشحنات الموجبة والسالبة وأن تفاعلهما يخضع لقانون التربيع العكسي.
- أيضًا في عام 1874 بعد الميلاد ، بعد دراسة التحليل الكهربائي ، اقترح العالم الأيرلندي جورج ستوني واعترف بوجود كمية معينة من الكهرباء بشحنة أيونية أحادية التكافؤ ، لأنه في ذلك الوقت كان يعتقد أن هذه الشحنات مرتبطة بشكل دائم بالذرات ولا يمكن فصلها أو فصلها. تمت إزالته ، علاوة على ذلك في عام 1881 أدخل مصطلح الإلكترون لوصف هذه الشحنات الأولية.
كيف تم اكتشاف الإلكترون؟
لمعرفة كيف تم اكتشاف الإلكترون ، عليك أن تعرف أن هذا الاكتشاف قد مر بمراحل عديدة قبل أن يحقق ما فعله. ومن أهم هذه المراحل ما يلي:
التجارب والاكتشافات المبكرة
- في عام 1869 ، اكتشف الفيزيائي والعالم الألماني يوهان فيلهلم ، أثناء دراسته للكهرباء في الغازات المتخلخلة ، أن الكاثود يصدر وهجًا وضوءًا يزدادان مع انخفاض ضغط الغاز.
- في عام 1876 ، قال الفيزيائي الألماني يوجين غولدشتاين أن هناك أشعة في ظل هذا التوهج المنبعث وأطلق عليها أشعة الكاثود.
- خلال القرن الثامن عشر ، لعب السير ويليام كروكس دورًا مهمًا ، حيث قام ببناء أول أنبوب شعاع كاثود في شكل أجوف بالداخل ، ومن خلال دراسته للأشعة استنتج أنها تحمل الطاقة وتتنقل بين القطبين الموجب والسالب.
- من بين العلماء الذين ساهموا بشكل كبير في اكتشاف الشحنة على الإلكترون قبل اكتشافها من قبل الفيزيائي البريطاني آرثر شوستر ، بعد تطويره من تجارب كروكس السابقة بوضع صفيحة معدنية موازية لأشعة الكاثود وتطبيق جهد كهربائي بين صفيحتان بحيث ينحرف الحقل المتولد ويدفع الأشعة نحو الصفيحة الموجبة الشحنة ، مما يدل على أن هذه الأشعة تحمل شحنة سالبة ، وفي عام 1890 م قدر شوستر النسبة المئوية لهذه الشحنة بقياس انحرافها عن مستوى تيار معين.
الاكتشاف الحالي للإلكترون
وفي عام 1896 م اكتشف الفيزيائي البريطاني جوزيف طومسون ، بمساعدة تاونستيد ومساعديه ويلسون ، الإلكترون ، حيث أجرى تجارب أظهرت أن أشعة الكاثود هي جسيمات فريدة وليست موجات أو جسيمات أو ذرات ، كما كنت أعتقد سابقًا. أعطى طومسون هذه الجسيمات القيمة شكلاً جديدًا من الشحنة والكتلة م واسمها الكريات ، والتي يمكن أن تكون 1/1000 من كتلة أصغر أيون معروف في ذلك الوقت ، وهو الهيدروجين. مواد التسخين والتوهج ، لذلك أعاد العالم والفيزيائي الأيرلندي تسمية هذه الجسيمات وأطلق عليها مصطلح (الإلكترون) ومنذ ذلك الحين عُرفت هذه الجسيمات بهذا الاسم حتى اليوم.
اكتشاف طومسون للإلكترون ، والذي أطلق عليه في البداية اسم الجسيم ، ولعب هذا الاكتشاف دورًا رئيسيًا في اكتشاف ومعرفة بنية الذرة ، بسبب ارتباط الإلكترونات بنوى الذرات الموجبة الشحنة من خلال التجاذب الذي يحدث. بين الشحنات الكهربائية المتقابلة من خلال ذرة محايدة ، حيث يكون عدد إلكتروناتها مساويًا لعدد الإلكترونات في الشحنة الموجبة في النواة ، لذلك نستنتج أن كل ذرة يمكن أن تحتوي على عدد من الإلكترونات تحمل شحنة سالبة مع أصغر أو عدد أكبر من الشحنات الموجبة ، وبناءً على عدد هذه الإلكترونات ، فإن الذرة ككل مشحونة سالبة أو موجبة.
مقدمة موجزة عن طومسون
هو جوزيف جون طومسون ، عالم فيزياء بريطاني ، ولد في 18 ديسمبر 1856 في تشيثام هيل ، المملكة المتحدة ، الملحق بجامعة كامبريدج عام 1884 ، حتى أنه بعد ما يقرب من ثلاثة عشر عامًا من الانضمام إليها ، تمكن من اكتشاف الإلكترون ، في عام 1896 م ، عندما بدأ في تصميم وتطبيق بعض التجارب وتصميم أنبوب أشعة الكاثود مما ساعد كثيرًا في اكتشاف الإلكترون والعديد من الاكتشافات الأخرى التي أعقبته حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906 م بالإضافة إلى العديد من الجوائز الأخرى والأوسمة التي نالها قبل وفاته في 30 أغسطس 1940 م
مكونات أنبوب أشعة الكاثود
يتكون أنبوب أشعة الكاثود الذي أجرى طومسون عليه تجاربه في اكتشاف الإلكترون من مجموعة من الأجزاء الرئيسية وهي كالتالي:
- أنبوب زجاجي منفوخ بالكامل.
- مولد موثوق يعمل كمدفعة إلكترونية لإنشاء شعاع إلكتروني.
- مجموعة من الملفات المحترقة تنتج مجالًا كهرومغناطيسيًا منخفض التردد ، وهذا دائمًا يعدل اتجاه الحزمة.
- القطب السالب يسمى الأنود.
- يسمى القطب الموجب بالكاثود.
- شاشة فسفورية قم بإنشاء ضوء ساطع عندما يصطدم به إلكترون.
خواص الإلكترونات
ينتمي الإلكترون إلى مجموعة من الجسيمات دون الذرية تُعرف باسم اللبتونات ، وهي كائنات أولية.
- إذا كان لدى الجسم شحنات موجبة أقل أو أكثر في النواة ، يتم إنشاء شحنة كهربائية ، والتي تصبح سالبة إذا كان عدد الإلكترونات أكبر ، وتصبح الشحنة موجبة إذا كان عدد الإلكترونات أقل من عدد بروتونات النواة.
- تقدر كتلة الإلكترون الساكن بـ 9.109 × 10-31 كجم ، أو 5.489 × 10-4 وحدات كتلة ذرية ، وفقًا لمبدأ أينشتاين لتكافؤ الطاقة والكتلة ، أي ما يقرب من 1/1836 من كتلة البروتون.
- الشحنة الكهربائية للإلكترون هي (−1.602 × 10−19 كولوم) والكولوم هو وحدة الشحن للجسيمات دون الذرية ويُشار إلى الشحنة الأولية بالرمز e ، بينما يُشار إلى الإلكترون سالب الشحنة بالرمز e- والبوزيترون e + لأنهما لهما نفس الخصائص ولكن بإشارات معاكسة.
- لا يحتوي الإلكترون على بيئة تفصيلية محددة لأنه يوصف بأنه جسيم نقطي بشحنة نقطية ليس لها مساحة.
- يمتلك الإلكترون زخمًا زاويًا قدره 1/2 ، ويتم تحديد هذه الخاصية بالإشارة إلى الإلكترون كجسيم سيني بمقدار 1/2 مقدار دوران هذه الجسيمات.
- مثل الجسيمات الأخرى ، يمكن أن تصبح الإلكترونات موجات ، وهو ما يسمى بازدواجية الموجة والجسيمات ويتم إثباتها باستخدام تجربة الشق المزدوج.
- جميع الإلكترونات متشابهة ولا يمكن تمييزها عن بعضها من خلال الخصائص الفيزيائية الفعلية.
- في حالة عدم التناسق ، يتم حل معادلة الموجة للإلكترونات المتفاعلة ، مما ينتج عنه احتمال صفري ، لذلك يحتل كل زوج نفس الحالة والفضاء.
- في حالة ظهور زوج افتراضي من البوزيترون والإلكترون ، فإن قوة كولوم للمجال الكهربائي المحيط بالإلكترون ستخلق بوزيترونًا ينجذب إلى الإلكترون الأساسي.
- يولد الإلكترون مجالًا كهربائيًا يمارس فيه قوة جذب على الجسيمات المشحونة إيجابياً مثل البروتون ، كما يصد الجسيمات سالبة الشحنة.
- عندما يتحرك الإلكترون في مجال مغناطيسي ، فإنه يخضع لقوة لورنتز ، ويكون التأثير عموديًا على مساره وسرعته المحددين.
آثار اكتشاف الإلكترون
كان لاكتشاف الإلكترون عواقب عديدة لذلك ، بما في ذلك على سبيل المثال طبيعة وسلوك العمليات الكهربائية ، وكذلك التركيب والتركيب الذري للنواة ، مما سهل التطور التكنولوجي وسرعه ، بدءًا من اختراع التلغراف والراديو. والتلفاز والرادار: على عكس التلفاز الذي يعتمد بشكل أساسي على أشعة الكاثود التي توجه شعاع الإلكترون إلى الشاشة حتى تظهر الصورة.
في نهاية المقال ، سرعان ما ذكرنا وأجبنا على السؤال: كيف تم اكتشاف الإلكترون؟ مع شرح موجز لطبيعة الإلكترون وتاريخ اكتشافه ، بالإضافة إلى التعرف على مكتشفه ولمحة موجزة عن حياته ، ننتقل إلى خصائص الإلكترون ثم ذكر بعض مما يسمى آثار اكتشافه.