يمكن القول أن تحديد كتلة الإلكترون وشحنته من أهم الأعمال المؤثرة في تاريخ العلوم، وبناءًا عليها حصل العالِم الأمريكي (روبرت ميليكان – Robert A. Millikan) على جائزة نوبل لعام 1932.
ونبدأ في موضوعنا الخاص وهو كيف تم تحديد كتلة الإلكترون وشحنته.
تم ذلك على خطوتين أساسيتين بدأهما العالم طومسون بإكتشاف الإلكترون وتحديد الشحنة النوعية له وأكملها روبرت ميليكان.
الخطوة الأولى:
تحديد الشحنة النوعية للإلكترون
الشحنة النوعية هي شحنة الإلكترون بالنسبة لكتلته.
- في عام 1897 قام (طومسون – J. J. Thomson) بدراسة الجسيمات السالبة المكوِّنَة لأشعة الكاثود وأطلق عليها اسم الإلكترونات وحصل على جائزة نوبل عام 1906 تقديرًا لجهوده في اكتشاف الإلكترون.
- استخدم طومسون في تجاربه (أنبوبة أشعة الكاثود – cathode ray tube)، وهي عبارة عن أنبوبة زجاجية مفرغة تمامًا لتناسب مرور الإلكترونات، تحتوي في داخلها على مهبط (القطب السالب) وهو مصدر للإلكترونات ومصعد وهو قطب موجب.
- تُنتَج الإلكترونات من المهبط وتمر خلال لوحين من الألومنيوم يعملان كمُعَجِّلان، وعند تطبيق مجال مغناطيسي يؤدي ذلك إلي انحراف شعاع الإلكترونات علي هيئة قوس دائري.
- ثم عندما تترك الإلكترونات المنطقة التي تأثرت بالمجال المغناطيسي، تسير في خط مستقيم إلى أن تصطدم بالسطح.
من هذا يمكن إستنتاج أن قوة المجال المغناطيسي المؤثرة على الإلكترونات تساوى HeV، حيث:
- H: قوة المجال المغناطيسي
- e: شحنة الإلكترون
- V : سرعة الالكترون
وعندما تمر الإلكترونات في مرحلة القوس الدائري الناشئ فإنها تتأثر بقوة طرد مركزي مقدارها mv^2/r وتساوي قوة المجال المغناطيسي HeV
mv^2/r = HeV ∴ e/m = V/Hr
يسهل بالعمليات الرياضية حساب المقدار V/Hr بناءًا على التجربة. ومن الخطوات السابقة يمكن تعيين المقدار e/m، ووجد أنه يساوي 1.75882*10^8 كولوم لكل جرام وهذة القيمة ثابتة تحت أي ظروف.
الخطوة الثانية:
تجربة ميليكان
في عام 1909 تمكَّن العالمان (روبرت مليكان – Robert A. Millikan) و(هارفي فلتشر – Harvey Fletcher) من تحديد كتلة وشحنة الإلكترون معاً عن طريق التجربة الشهيرة (تجربة قطرات الزيت – oil drops experiment).
- قام ميليكان بإطلاق رزاز من قطرات الزيت بواسطة بخاخ فتسقط القطرات خلال فتحة من اللوح العلوي.
- يمكن حساب كتلة القطرة من خلال معرفة السرعة التي تتحرك بها.
- وبعد ذلك تم تسليط أشعة X التي بدورها أدت إلى تأين الغازات داخل مكان التجربة، عملية التأين تؤدي إلى توليد المزيد من الإلكترونات الحرة داخل إطار التجربة.
- القطرات الساقطة تكتسب شحنة سالبة نتيجة الإلكترونات الحرة المتواجدة فى إطارالتجربة, وعند توليد جهد مناسب على اللوحين فإن ذلك يؤدي الى سقوط القطرات ببطء بسبب جذبها بواسطة اللوح العلوي المشحون بشحنة موجبة.
- وعند جهد معين تتساوي القوتان المؤثرتان على القطرات (قوة جذب القطرة لأعلى بواسطة اللوح المشحون وقوة وزن القطرة لأسفل) وبذلك تظل القطرة معلقة في وسط اللوحين وبمعرفة الجهد المطبق وكتلة القطرة يمكن حساب شحنة القطرة ومنها يمكن حساب شحنة الإلكترون.
e/m = 1.75882*10^8
e = 1.60218*10^-19
وبالتعويض في علاقة الشحنة النوعية للإلكترون الناتجة من التجربة السابقة يمكن حساب m
m = 9.10940*10^-28 g
يمكنك مشاهدة هذا الفيديو الذي يشرح تجربة قطرات الزيت لميليكان لزيادة التوضيح
كما توجد طريقة اخري لتحديد كتلة السكون للإلكترون عن طريق استخدام (ثابت رايدبرج – Rydberg constant) باستخدام المعادلة:
حيث:
α هي (نسبة البناء الذري الدقيق – fine structure constant)
h هي (ثابت بلانك – Planck constant)
c سرعة الضوء في الفراغ
بالتعويض بقيم هذه الثوابت؛ يمكن حساب قيمة كتلة السكون للإلكترون.
الكتلة النسبية الذرية للإلكترون
يمكن تحديد الكتلة النسبية الذرية للإلكترون مباشرةً عن طريق استخدام (مصيدة بيننج – Penning trap)، وهي عبارة عن جهاز يستخدم لحفظ الجسيمات المشحونة مثل الأيونات والإلكترونات والبروتون المضاد, فكرة عمل هذا الجهاز مبنية على استخدام مجال مغناطيسي متجانس ومجال كهربي رباعي الاقطاب غير متجانس.
كما أيضا تم استنتاج قيمة الكتلة النسبية الذرية للإلكترون من دراسة أطياف الهيليوم مضاد البروتون، وهي عبارة عن ذرات هيليوم تم استبدال أحد إلكتروناتها ببروتون مضاد.
- ثابت رايدبرج هو ثابت يستخدم في تحليل الأطياف الذرية رمزه R∞ تم وضعه من قِبَل عالم الفيزياء السويدي (جوهانس ريدبرج -Johannes Rydberg) يمثل ثابت رايدبرج القيمة القصوي لاقصي عدد موجي لفوتون يمكن أن يصدر من ذرة الهيدروجين.
- (نسبة البناء الدقيق – fine structure constant) ويسمي أيضا (ثابت سومرفيلد -Sommerfeld’s constant ) ورمزه α وهو ثابت يميز قوة التفاعل الكهرومغناطيسي بين الجسيمات الاولية.
إعداد: Abdelaziz Mohamed
مراجعة: Amira Esmail
المصادر:
