اكتشاف الإلكترون من البداية حتى النهاية

اكتشاف الإلكترون من البداية حتى النهاية

قصة اكتشاف الإلكترون من البداية حتى النهاية

ما كان لمفهوم الإلكترون أن يظهر لولا إعلان اليساندرو فولتا Allesandro Volta في العشرين من آذار مارس عام 1800 عن اختراعه لعمود فولتا للكهرباء، وهو الصورة البدائية للعمود الجاف (البطارية) ، عندما جمع فولتا بين معدنين مختلفين ، و هما معدني  الخارصين والفضة ، بعد أن فصل بينهما بقطعة من قماش بللها في محلول من ملح ، وربط هذا الزوج بمثله ثم بمثله ، فلما تسلسلت ، أعطت هذه السلسلة تياراً كهربائياً ضعيفاً ، تزداد قوة هذا التيار بزيادة طول السلسلة .

أوقد هذا الاختراع شعلة في رأس جونز برزيليوس Jons Berzelius ، وأخذ يعمل على إمرار الكهرباء القادمة من عمود فولتا خلال محاليل المركبات ، وأعلن بعد عامين من اختراع عمود فولتا أن العناصر المعدنية (الأيونات الموجبة من محلول المركب بالمفهوم الحديث) تذهب دائماً الى القطب السالب المربوط بعمود فولتا ، بينما العناصر غير المعدنية (الأيونات السالبة من محلول المركب بالمفهوم الحديث) تذهب دائماً الى القطب الموجب . 

في عام 1806 قام الشاب الإنجليزي همفري دافي Humphry Davy في معمله بصنع بطارية فولتية قوية من النحاس ، وفي أكتوبر تشرين أول من ذلك العام أجرى الطاقة الكهربائية التي جاءت من مائة وخمسين عموداً في وعاء يحتوي على البوتاس السائح ، وبعد برهه ظهرت كرات من مادة كالفضة على الطرف السالب من سلك البلاتين المتصل بالبطارية ، لم تلبث أن اشتعلت من ذات نفسها ، ولم يكن هذا العنصر الذي فصله إلا عنصر البوتاسيوم .

وبذلك الكشف يكون دافي قد فتح باباً واسعاً للكيميائيين لاستخلاص العناصر .

وفي عام 1834 أبدى العالم الانجليزي مايكل فارادي Michael Faraday اهتماماً بدراسة أثر التيار الكهربائي في محاليل ومصاهير المركبات الكيميائية ، وقد بين أن إمرار التيار الكهربائي فيها يحدث تفاعلات كيميائية .

لاحظ فارادي عند إمرار تيار كهربائي خلال مصهور كلوريد النحاس ترسب النحاس على القطب السالب لخلية التحليل ، وتصاعد غاز الكلور عند القطب الموجب ، وقد قاده ذلك للإستنتاج بأن جسيماً كهربائياً قد دخل على الأيون الموجب ( أيون النحاس ) وحوله إلى ذرة متعادلة ( ذرة نحاس ) ، وفي نفس الوقت خرج الجسيم الكهربائي من الأيون السالب ( أيون الكلور ) وحوله إلى ذرات متعادلة أو جزيئاً متعادلاً ( جزيء الكلور ) . وهذا ما دعاه للاستنتاج بأن الذرات تحتوي على جسيمات سالبة الشحنة .

تزايد اهتمام العلماء في تلك الأثناء كثيراً بفهم طبيعة الكهرباء ، وبما أنه من المتعذر رؤية التيار الكهربائي عند مروره خلال سلك ، فقد حاول العلماء توليد تيار كهربائي من تلقاء نفسه عن طريق سحب الهواء من أنبوب ، ثم امرار التيار خلال الفراغ .

في عام 1855 قام المخترع الألماني هينريش غزلر Heinrich Geissler باختراع مضخة هواء جيدة قادرة على تفريغ الهواء من أنبوب زجاجي ، وقد وصل الضغط في الأنبوب الى 1/10000 من الضغط الجوي العادي .

وباختراع هذه المضخة قام العالم يوليوس بلكر(بلوكر) J . Plucker عام 1859 بتصميم أول أنبوب تفريغ زجاجي يتصل طرفيه من الداخل بلوحين فلزيين ، وتم ربط اللوحين الفلزيين بكل من القطب السالب والقطب الموجب لمصدر عالي الفولتية ، وبعد سحب الهواء جزئياً من داخل الأنبوب بوساطة مضخة غزلر ، حدثت مفاجأة طار بلكر لها طرباً ، فقد تشكلت حزمة ضوئية خضراء اللون بين اللوحين الفلزين ، مما يعني سريان التيار الكهربائي خلال الفراغ (تفريغ كهربائي خلال الغاز)، وهو ما كان يحلم به العلماء .

ولتفسير اللغز الذي حير العلماء في تفسير طبيعة الأشعة المهبطية افترض العلماء أن الحزمة الضوئية شكل من أشكال الضوء .

ولكن الأشعة المهبطية انحرفت عن مسارها عند تعريضها لمجال مغناطيسي وهذا ما لا يحدث للضوء .

في العام 1869 بين العالم هيتورف J . W . Hittorf أن الحزمة الضوئية تسير في خطوط مستقيمة ، عندما لاحظ تكون ظل باتجاه المصعد لحاجز موضوع في مسارها .

وفي عام 1876 أطلق العالم الألماني ايوغن غولدشتاين Eugen Goldstein اسم الأشعة المهبطية على الحزمة الضوئية في أنبوب التفريغ مستفيداً من تجربة هيتورف ، لأنها تنطلق من المهبط ( القطب السالب ) باتجاه المصعد ( القطب الموجب ) .

                   

في عام 1879 لاحظ السير ويليام كروكس Sir William Crookes أنه بالإمكان التحكم بسلوك الأشعة في أنبوب التفريغ بتخفيض الضغط فتتوهج الجدران الداخلية لأنبوب التفريغ .

كما لاحظ كروكس أن استبدال الغاز بالهواء في أنبوب التفريغ يؤدي إلى تغيير لون الحزمة الضوئية ، أي أن لون الحزمة يعتمد على نوع الغاز الموضوع في أنبوب التفريغ .

كما قام كروكس بالتأثير على مسار الأشعة المهبطية بمجال مغناطيسي فانحرفت مبتعدةً عن القطب الشمالي للمغناطيس . 

وفي العام 1895 أيضاً قام العالم الفرنسي جين بيرين Jean Perrin بالتأثير على مسار الأشعة المهبطية بمجال كهربائي فانحرفت نحو المجال الكهربائي الموجب . 

وبذلك أكدت تجربتا كروكس وبيرين على أن الأشعة المهبطية تحمل شحنة سالبة . 

كما لاحظ كروكس أن استبدال الغاز بالهواء في أنبوب التفريغ يؤدي الى تغيير لون الحزمة الضوئية ، أي أن لون الحزمة يعتمد على نوع الغاز الموضوع في أنبوب التفريغ .

كما قام كروكس بالتأثير على مسار الأشعة المهبطية بمجال مغناطيسي فانحرفت مبتعدةً عن القطب الشمالي للمغناطيس . 

وفي العام 1895 أيضاً قام العالم الفرنسي جين بيرين Jean Perrin بالتأثير على مسار الأشعة المهبطية بمجال كهربائي فانحرفت نحو المجال الكهربائي الموجب . 

وبذلك أكدت تجربتا كروكس وبيرين على أن الأشعة المهبطية تحمل شحنة سالبة . 

عام 1897 أزاح الفيزيائي الإنجليزي ثومسون ( طومسون )( تومسون ) J.J. Thomson الغموض عن الأشعة المهبطية ، فاقترح أن تكون هذه الأشعة عبارة عن جسيمات صغيرة ؛ أصغر من الذرة ، وذات شحنة سالبة ، وقد قام بتحديد الخصائص الآتية للأشعة المهبطية :

1- لها القدرة على إدارة دولاب صغير أو مروحه موضوعه في مسارها دلاله على أنها تمتلك طاقة حركية .

2- لها القدرة على تسخين الأجسام التي تصطدم بها وهذا يعني أن لها طبيعة جسيمية أو مادية .

3- عند وضع حاجز في مسارها يتكون للحاجز ظل دلالة على سيرها في خطوط مستقيمة .

4- إذا أثر عليها مجال كهربائي أو مغناطيسي فإنها تنحرف نحو المجال الموجب دلالة على كونها سالبة الشحنة .

صورة لأنبوب التفريغ الذي استخدمه تومسون في تجاربة .

وبذلك نسب الفضل الى ثومسون في اكتشاف الإلكترون ، إلا أنه لم يقترح اسماً لهذه الجسيمات ، ولكن بعد فترة قصيرة من تجربته تم اعتماد اسم الإلكترون والذي اقترحه العالم الايرلندي جورج ستوني G . Stoney عام 1891 على الشحنات الكهربائية السالبة في التيار الكهربائي .

حساب النسبة بين شحنة الإلكترون الى كتلته 

في نفس العام الذي أعلن فيه ثومسون اكتشاف الإلكترون ، قام بحساب النسبة بين شحنة الالكترون الى كتلته من خلال مقدار الإنحراف الذي يعانيه مسار الأشعة المهبطية عند التأثير عليه بمجال مغناطيسي .

وقد وجد أن هذه النسبة تساوي 1,76 × 1110 كولوم / كغم .

اكتشاف الشحنات الموجبه ( اكتشاف البروتونات )

عام 1886 افترض ايوغن غولدشتاين Eugen Goldstein وجود أشعة تعاكس الأشعة المهبطية في الاتجاه ، ولهذا الغرض تم تصميم أنبوب زجاجي سمي أنبوب الأشعة المصعدية ( أشعة القناة ) مثبت في طرفيه من الداخل قطبان فلزيان ، القطب الذي يمثل المهبط منهما مثقوب .
وعند تفريغ الهواء داخل الأنبوب ، ووصل القطبان بمصدر كهربائي ذي فرق جهد عال ، تولدت أشعة خلف المبهط مرت من خلال الثقوب ، وبتكون هذه الأشعة تأكد للعلماء وجود جسيمات موجبة الشحنة في الذرات.

وبحساب النسبة بين شحنة الأيون الموجب الى كتلته ومقارنتها بمثيلتها للإلكترون تبين ما يلي :
1-النسبة بين شحنة الأيون الموجب الى كتلته مهما تغير الغاز داخل أنبوب التفريغ كانت أصغر بكثير من الإلكترون ، وهذا أدى للإستنتاج بأن كتلة الإلكترون أصغر بكثير من كتلة الأيون الموجب .
2-النسبة بين شحنة الأيون الموجب الى كتلته تختلف باختلاف نوع الغاز داخل أنبوب التفريغ بينما تلك النسبة ثابته للإلكترون ، وهذا يعني أن كتلة الأيون الموجب تختلف من غاز الى آخر .
وباستمرار التجارب تبين أن أكبر قيمة للنسبة بين شحنة الأيون الموجب الى كتلته كانت لأيون الهيدروجين الموجب ، وهذا يعني أن كتلة أيون الهيدروجين هي الأصغر بين الأيونات . 
وعند حساب كتلة أيون الهيدروجين ومقارنتها بأيونات الغازات الأخرى تبين أن كتلها تقارب مضاعفات لكتلة الهيدروجين ، وعليه تم افتراض وجود جسيم موجب الشحنة موجود في أيون الهيدروجين ويزداد عدده من أيون عنصر الى الآخر . 
وقد سمي هذا الجسيم بروتون ويعني المكون الأولى لأنه موجود في أيون الهيدروجين وهو أخف الأيونات كتلة ، ويتكرر وجوده في كل الأيونات الموجبة الأخرى . 

الموضوع منقول

 ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

شارك زملاءك من الزر أدناه لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى

تعديل المقال