حساب نسبة شحنة الألكترون الى كتلتة بإستخدام أنبوبة تومسون
كيف تم حساب نسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته بإستخدام أنبوبة طومسون
الهدف من التجربة
1-حساب الشحنة النوعيه الألكترونات(e/m) ومقارنتها بالقيمه النظريه
2-دراسة تأثير المجال الكهربيE على حزمه الألكترونات
3- دراسة تأثير المجال المغنطيسيB على حزمهالألكترونات (electronic beam)
مقدمه :
في العام 1897قام العالم ج ج ثومسونJ. J. Thomson في مختبر كافندش في كامبردج ببريطانيا بإجراء تجربة ناجحة تمكن فيها من قياس النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته، حيث اعتمد في ذلك على قياس انحراف الإلكترون في وسط فيه مجال كهربي ومجال مغناطيسي. ركز ثومسون على دراسة العلاقة بين الكهرباء والمادة وذلك عن طريق ملء أنبوبة زجاجية بغاز عند ضغط منخفض (مثل غاز الزئبق او النيون أو الزينون) وطبق فرق جهد كهربي كبير على طرفي الأنبوبة الزجاجية. يمر التيار الكهربي بين طرفي (الكاثود والانود) الأنبوبة الزجاجية عبر الغاز وسمى هذا التيار بتيار الكاثود. أجرى ثومسون العديد من التجارب والتي حصل منها على النتائج التالية: مخطط يوضح أنبوبة ثومسون (1)- إن وجود مجال كهربي او مغناطيسي يحيط بأنبوبة الكاثود يؤدي إلى انحراف أشعة الكاثود.(2) بتطبيق مجال كهربي فقط او بتطبيق مجال مغناطيسي فقط أو بتطبيق المجالين معا فانه تمكن من قياس النسبة بين الشحنة الكهربية الحاملة لتيار المهبط وكتلتها (لم يكن الإلكترون معروفا حينذاك((3) اكتشف أيضا إن النسبة بين الشحنة إلى الكتلة لتيار الكاثود لا تتغير بتغير الغاز المستخدم أو بتغير مادة الكاثود.وقد استنتاج ثومسون الأتي:- (1) استنتج أيضا إن أشعة الكاثود مكونة من جسيمات دقيقة جدا مشحونة بشحنات سالبة أطلق عليها الالكترونات.(2) استنتج أن الالكترونات تأتي من الذرات المكونة للغاز داخل الأنبوبة او من المادة المعدنية للكاثود أو الانود. (3) استنتج من خلال ثبات النسبية بين (e/me) في أكثر من مادة إنها المكون الرئيسي لذرات أي مادة.(4) بسبب أن النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلته كبيرة جدا استنتج أن الالكترونات صغيرة جداً.
✓✓👈 رابط كتب فيزياء مهمة :
النظرية : عندما يتحرك الكترون في مجال كهربي منتظم شدتهE فإن طاقته الحركيهK.E تعطى بـ:
K.E=(1/2) m ῠ2
وبما أن المجال الكهربي يؤثر على الألكترون بطاقه كهربائيه مقدارها يعطىبالمعادلة :-
F=qV=eV …….(1)
ومن مبدأ حفظ الطاقه فإن الطاقه المفقوده من المجال الكهربائي = الطاقه الحركيه المكتسبه في الألكترون
eV=(1/2) m ῠ2 …. (2) v=(2eV/me)^1/2 ...(3)
e شحنة الألكترون
m كتلة الألكترون
ῠ سرعة الألكترون
V الجهد المسرع الذي يحرك الألكترونات (فرق جهد التعجيل)
وإذا أثر مجال مغناطيسي منتظم شدته Bفي إتجاه عمودي على حركة الألكترون فإن الألكترون
يتحرك في مسار دائريفأن مقدار القوة الكهربائية تعطى بالعلاقة
F = eῠ B sin(ө)…….(4)
مقدار تعجيل حزمه الالكترونات يعطى بالعلاقة التالية:-
a=F/me= ῠ2/r …….(5) me ῠ2/r =e ῠ B sin(ө) …….(6)
ينتج لنا الأتي
e/me=ῠ sin(ө)/ B . r ……. (7) بما أن المجال المغناطيسي عمودي على الصفيحة أذن الزاوية هي 90أذن e/me=ῠ / B . r ……. (8)
وبتعويض قيمة السرعهمعادلة رقم 3))في معادلة رقم (8)ينتج لنا معادلة رقم (9)
e/m= ( 2V ) / ( B2 r2 ) …….(9) حيث أن:
m كتلة الألكترون( 1.67*10-27 kg)
B شدة المجال المغناطيسي
e شحنه الألكترون (1.6*10-19 C)
V الجهد المسرع الذي يحرك األلكترون (فرق جهد التعجيل)
ῠ سرعة الألكترون
فإذا تم قياس كل من الجهدV ونصف قطر المسارR وشدة المجال المغناطيسي B يمكن حساب e/m
وفي هذه التجربه يولد ((Bالمجال المغناطيسي عمليابإستخدام ملفي هلموهولتز ويكون متعامدا مع حركة الألكترون. وكلما زادت شدة المجال المغنطيسيB زاد إنحناء مسار شعاع الألكترونات حتى يكتمل المسار الدائري على شكل حلقه.
الأدوات المستخدمة:
أسلاك توصيل أنبوبة طومسون(Thomson tube), زوج من ملفات هلموهولتز (Helmoholtz pair of coils), مصدر جهد عالي عدد 2(High voltage power supplies), مصدر تيار مستمر (DC power supply) خطوات العمل( ونكتفي بدراسةحركة حزمه من الإلكترونات تحت تأثير مجال كهربائي) : (aدراسة حركة حزمه من الألكترونات تحت تأثير مجال كهربائي أوصل الدائره الكهربيه كما في الشكل بدون توصيل ملفات هلموهولتز 1- طبق جهد على الأنود (المصعد) من المصدرUA مقداره 4kV لتسخين فتيلة الكاثود (المهبط) ومن ثم تنطلق حزمه من الألكترونات(سيظل هذا الجهد ثابت طوال أجزاء التجربه الثالثه( 2- تتم قياس المسافة بين لوحي المكثف ولتكنd 3- طبق جهد على لوحي المكثف من المصدرUp مقداره 1.5kV 4- لاحظ إنحراف الشعاع الألكتروني بشكل بسيط على شكل قوس, كما في الشكل (2) 5- سجل النقاطY التى يمر بها الشعاع والتى تقابل النقاط X=1,2,3,4,5,6 في الجدول (a) وتمثل قيمY هذه القيم التجريبيه ويرمز لها بـYex 6- كرر الخطوه 3 بجهود مختلفه مره عند 2.5 kV ومره عند 2 kV , وفي كل مره سجل قيمة الزوج((x,y في الجدول 7- ارسم العلاقه بينX وYex لجميع الجدول في رسم واحد ولاحظ نوع العلاقه بين Yex والجهد المطبق وفسرها؟ : E تمثل شدة المجال الكهربي المطبق على شعاع األلكترونات : d تمثل المسافه بين لوحي المكثف.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
شارك زملاءك من الزر أدناه لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى