كيف تم اكتشاف الإليكترون

كيف تم اكتشاف الإليكترون، ويلعب الإلكترون دورًا أساسيًا وفعالًا في الظواهر الفيزيائية وكذلك في التفاعلات الكهرومغناطيسية من حولنا، وكذلك في التفاعلات الكيميائية والكهرباء والمغناطيسية والعمليات الأخرى التي تحدث في الكون، ويعطى أهمية الإلكترون ودوره المحوري في معظم التفاعلات والعمليات التي تحدث من حولنا، من خلال هذه المقالة مقدمة عن كيفية اكتشاف الإلكترون ولمحة موجزة عن الإلكترون ومكتشفه.

ما هو الإلكترون

يُعرف الإلكترون، الذي يرمز إليه بالرمز (e)، بالجسيم الذري ذي الشكل الكروي، وهو المكون الأساسي للذرة. وهي نصف وحدة العدد الصحيح (ħ)، وهذا يعني أنها فرميون (بوزيترون)، وهو عكس الإلكترون ومماثل له في كل شيء إلا أنه عكسه في الإشارة التي يحملها. .

وينتمي الإلكترون إلى الجيل الأول من جسيم ليبتون، الذي يساعد ويساهم في ضعف القوى الأساسية النووية والجاذبية الكهرومغناطيسية. يمتص أو ينتج الطاقة على شكل فوتونات تحيط بالنواة تتكون من البروتونات والنيوترونات، ثم تشكل الذرة معًا، ويساهم الإلكترون في ذلك بنسبة صغيرة جدًا تبلغ 0.06٪ من كتلة الذرة.

التاريخ الإلكتروني

قبل القول الفصل في اكتشاف الإلكترون وبداية صياغته في العلمية ودراسته عن كثب ومدروس، كان للإلكترون تاريخ طويل في العصور المختلفة، ومن أبرز تلك التواريخ ما يلي

كانت المراحل والتجارب التاريخية الأولى التي مرت بها البشرية في اكتشاف الإلكترون بالكهرباء، وكان هذا هو الحال مع الإغريق القدماء عندما لاحظوا جاذبية الأشياء للعنبر عند فركها بقطعة قماش.
أشار العالم والفيزيائي الإنجليزي ويليام جيلبرت في عام 1600 م في إحدى مقالاته إلى مصطلح صاغه من اللاتينية الجديدة وأطلق عليه (electricus)، للإشارة إلى خاصية جذب الأشياء البسيطة بعد فركها، وهي مأخوذة من الكلمة اليونانية القديمة للعنبر.
في عام 1737 م اكتشف العالمان، هكسبي وشارل دي فاي، وجود شحنتين من الكهرباء، أحدهما ينتج عن طريق الاحتكاك بالزجاج والأخرى عن طريق الاحتكاك بالراتنج. تم تقديم الشحنات الموجبة والسالبة لأول مرة.
أثبت عالم الطبيعة البريطاني ريتشارد لامينج أيضًا في الفترة ما بين 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 أن الكهرباء تتكون من سائلين من الشحنة الموجبة والسالبة ويخضع تفاعلهما لقانون التربيع العكسي.
أيضًا في عام 1874 م قدم العالم الأيرلندي جورج ستوني اقتراحًا بعد دراسة التحليل الكهربائي واعترف بوجود كمية واحدة محددة من الكهرباء بشحنة أيون أحادي التكافؤ، حيث كان يعتقد في ذلك الوقت أن هذه الشحنات مرتبطة بشكل دائم بالذرات ولا يمكنها يتم فصلها أو إزالتها، بالإضافة إلى أنه أطلق مصطلح إلكترون لوصف هذه الشحنات الأولية في عام 1881 م.

ولكي تعرف كيف تم اكتشاف الإلكترون يجب أن تعلم أن هذا الاكتشاف قد مر بمراحل عديدة حتى وصل إلى ما وصل إليه. ومن أهم هذه المراحل ما يلي/

التجارب والاكتشافات الأولية

في عام 1869، اكتشف الفيزيائي والعالم الألماني يوهان فيلهلم، أثناء دراسته للكهرباء على الغازات المتخلخلة، أن هناك توهجًا وضوءًا ينبعث من الكاثود الذي يزداد حجمه عندما ينخفض ضغط الغاز.
في عام 1876، قال الفيزيائي الألماني يوجين غولدشتاين أن هناك أشعة في ظل هذا التوهج المنبعث، وأطلق عليها اسم أشعة الكاثود.
كما كان للسير ويليام كروكس خلال القرن الثامن عشر دور مهم، حيث صمم أول أنبوب شعاع كاثود بداخله مجوف، ومن خلال دراسته للأشعة استنتج أنها تحمل الطاقة وتتحرك بين القطبين الموجب والسالب.
من بين العلماء الذين ساهموا بقوة في اكتشاف شحنة الإلكترون قبل اكتشافها من قبل الفيزيائي البريطاني آرثر شوستر، بعد أن تطور من تجارب كروكس السابقة بوضع صفيحة معدنية موازية لأشعة الكاثود وتطبيق الجهد الكهربائي بين لوحتين، وبالتالي فإن المجال المتولد ينحرف ويطرد 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 المستوى المحدد من تيار.

الاكتشاف الفعلي للإلكترون

وفي عام 1896 م اكتشف الإلكترون من قبل الفيزيائي البريطاني جوزيف طومسون بمساعدة تاونستيد وويلسون مساعديه حيث أجرى تجارب أظهرت أن أشعة الكاثود هي جسيمات فريدة وليست موجات أو جسيمات أو ذرات كما اعتقدت سابقًا.، أعطى طومسون هذه الجسيمات قيمة شكلًا جديدًا من الشحنة e والكتلة m واسمها عبارة عن كريات لها كتلة قد تكون 1/1000 من كتلة أقل أيون معروف في ذلك الوقت، وهو الهيدروجين. مشعة عن طريق التسخين والمواد المضيئة، لذلك أعاد العالم والفيزيائي الأيرلندي تسمية هذه الجسيمات وأطلق عليها مصطلح (الإلكترون) ومنذ ذلك الحين عُرفت هذه الجسيمات بهذا الاسم حتى يومنا هذا.

من خلال اكتشاف طومسون للإلكترون، والذي أطلق عليه في البداية اسم الجسيم، ولعب هذا الاكتشاف دورًا محوريًا في اكتشاف ومعرفة التركيب الذري، من خلال ارتباط الإلكترونات بنوى الذرات المشحونة بشحنة موجبة 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، وبالتالي نستنتج أن أي ذرة قد تحتوي على عدد الإلكترونات الحاملة للشحنة السالبة لعدد أقل أو أكثر من الشحنات الموجبة وبناءً على عدد هذه الإلكترونات، تكون الذرة سالبة أو موجبة الشحنة ككل.

مقدمة موجزة عن طومسون

هو جوزيف جون طومسون، عالم فيزياء بريطاني، ولد في الثامن عشر من ديسمبر 1856 م في تشيثام هيل، المملكة المتحدة. تم إلحاقه بجامعة كامبريدج عام 1884 م حتى أنه بعد ما يقرب من ثلاثة عشر عامًا من التحاقه به تمكن من اكتشاف الإلكترون، وذلك في عام 1896 م عندما بدأ في تصميم وتطبيق بعض التجارب وتصميم أنبوب أشعة الكاثود الذي ساعد على اكتشاف الإلكترون. الكثير في اكتشاف الإلكترون والعديد من الاكتشافات الأخرى التي تلتها، ليتم تكريمه وحصل على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906 م، بالإضافة إلى العديد من الجوائز والتكريمات الأخرى التي حصل عليها، قبل وفاته في 30 أغسطس 1940 م.

مكونات أنبوب أشعة الكاثود

يتكون أنبوب أشعة الكاثود، الذي أجرى طومسون عليه تجاربه عند اكتشاف الإلكترون، من مجموعة من الأجزاء الرئيسية، وهي كالتالي

أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء بالكامل.
مولد موثوق يعمل كمدفع إلكتروني وينتج شعاعًا من الإلكترونات.
مجموعة من الملفات المحترقة التي تنتج المجال الكهرومغناطيسي بتردد منخفض، وهذا دائمًا يعدل اتجاه الحزمة.
القطب السالب يسمى الأنود.
يسمى القطب الموجب بالكاثود.
شاشة فسفورية لتكوين ضوء ساطع عند اصطدام الإلكترون به.

خصائص الإلكترون

ينتمي الإلكترون إلى مجموعة الجسيمات دون الذرية المعروفة باسم اللبتونات، وهي كائنات أولية.

إذا كان الجسم يحتوي على شحنات موجبة أقل أو أكثر في النواة، فإن هذا ينتج شحنة كهربائية. يصبح سالبًا 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 من وحدات الكتلة الذرية، وفقًا لمبدأ أينشتاين لتكافؤ الطاقة والمادة، تقريبًا 1/1836 من كتلة البروتون.
الشحنة الكهربية للإلكترون هي (−1.602 × 10−19 كولوم)، والكولوم هو وحدة الشحن للجسيمات دون الذرية، والشحنة الأولية يُرمز إليها 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 حيث يتم وصفه بأنه جسيم نقطي بشحنة نقطية لا تحتوي على مساحة.
يمتلك الإلكترون زخمًا زاويًا 1/2 ويتم تحديد هذه الخاصية بالإشارة إلى الإلكترون كجسيم دوران يبلغ 1/2 حجم الدوران لهذه الجسيمات.
مثل الجسيمات الأخرى، يمكن أن تصبح الإلكترونات موجات. هذا يسمى ازدواجية موجة-جسيم وقد ثبت ذلك 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، بحيث يحتل كل زوج نفس الحالة والفضاء.
إذا ظهر زوج افتراضي من البوزيترون والإلكترون، فإن قوة كولوم للمجال الكهربائي المحيط بالإلكترون تخلق البوزيترون الذي ينجذب إلى الإلكترون الأساسي.
يولد الإلكترون مجالًا كهربائيًا يمارس فيه قوة جذب على الجسيمات الموجبة مثل البروتون، بالإضافة إلى صد الجسيمات سالبة الشحنة.
عندما يتحرك الإلكترون داخل مجال مغناطيسي، فإنه يخضع لقوة لورنتز، ويكون التأثير عموديًا على مساره وسرعته المحددين.

آثار اكتشاف الإلكترون

كان لاكتشاف الإلكترون العديد من الآثار المترتبة على ذلك، بما في ذلك، على سبيل المثال، طبيعة وسلوك العمليات الكهربائية، فضلاً عن التركيب والتركيب الذري للنواة، والتي تم التعرف عليها بشكل أكبر، مما سهل وتسريع التطورات التكنولوجية، بدءاً مع اختراع التلغراف والراديو والتلفزيون والرادارات. على عكس التلفاز الذي يعتمد بشكل أساسي على أشعة الكاثود التي توجه شعاع الإلكترون على الشاشة، فتظهر الصورة.