المتطلبات الأساسية للاكتشاف والفرضيات

تتألف تجربة طومسون من دراسة حزم أشعة الكاثود التي تمر عبر نظام من الصفائح المعدنية المتوازية التي تخلق مجالًا كهربائيًا وأنظمة الملفات التي تخلق مجالًا مغناطيسيًا. تم اكتشاف أن العتبات تنحرف عندما يتم تطبيق كلا المجالين بشكل منفصل، وعند نسبة معينة بينهما، لا تغير العتبات مسارها المستقيم. تعتمد نسبة المجال هذه على سرعة الجسيم. بعد إجراء سلسلة من القياسات، اكتشف طومسون أن سرعة حركة الجسيمات أقل بكثير من سرعة الضوء - وبالتالي تبين أن الجسيمات يجب أن يكون لها كتلة. علاوة على ذلك، تم الافتراض حول وجود هذه الجسيمات في الذرات ونموذج للذرة، تم تطويره لاحقًا في تجارب رذرفورد.

ملحوظات

مصادر

مؤسسة ويكيميديا. 2010.

انظر ما هو "اكتشاف الإلكترون" في القواميس الأخرى:

فرع الفيزياء الذي يدرس البنية الداخلية للذرات. الذرات، التي كان يعتقد في الأصل أنها غير قابلة للتجزئة، هي أنظمة معقدة. لها نواة ضخمة تتكون من البروتونات والنيوترونات، وتتحرك حولها في الفضاء الفارغ... ... موسوعة كولير

ولهذا المصطلح معاني أخرى، انظر الإلكترون (المعاني). كتلة رمز الإلكترون 9.10938291(40) 10−31 كجم، 0.510998928(11) MeV... ويكيبيديا

- (من المادة اللاتينية مادة) فكرة متعددة المعاني، والتي غالبًا ما تُعطى واحدًا أو بعض المعاني التالية. 1. بيان بخصوص الوجود أو الواقع: المادة وحدها هي الموجودة أو الحقيقية؛ الأمر هو... الموسوعة الفلسفية

تاريخ العلوم ويكيبيديا

نوع خاص من النشاط المعرفي يهدف إلى تطوير المعرفة الموضوعية والمنظمة بشكل منهجي والمثبتة حول العالم. يتفاعل مع أنواع أخرى من النشاط المعرفي: اليومي والفني والديني والأسطوري... الموسوعة الفلسفية

كتلة رمز الإلكترون 9.10938215(45)×10−31kg، 0.510998910(13) MeV/c2 فئات البوزيترون المضاد للجسيمات فيرميون، ليبتون ... ويكيبيديا

كتلة رمز الإلكترون 9.10938215(45)×10−31kg، 0.510998910(13) MeV/c2 فئات البوزيترون المضاد للجسيمات فيرميون، ليبتون ... ويكيبيديا

كيكوين أ.ك. اكتشاف الإلكترون // الكم. - 1985. - العدد 3. - ص18-20.

باتفاق خاص مع هيئة تحرير ومحرري مجلة "كفانت"

ربما تكون كلمة "إلكترون" - اسم أحد الجسيمات الأولية المشحونة - ومشتقاتها موجودة في أغلب الأحيان هذه الأيام في الأدبيات العلمية والتقنية. ومؤخرًا نسبيًا، ظهرت كلمة "إلكترونيات" لتدل من ناحية على علم تفاعلات الإلكترونات مع المجالات الكهرومغناطيسية، ومن ناحية أخرى إلى مجال جديد من مجالات التكنولوجيا. لقد دخلت صفات مثل "إلكتروني" و"إلكتروني" وما إلى ذلك لغتنا وحياتنا على نطاق واسع. ويكفي التذكير، على سبيل المثال، بوجود الأجهزة الإلكترونية المختلفة وأجهزة الكمبيوتر الإلكترونية.

متى ومن وكيف تم اكتشاف الإلكترون؟ متى ومن وكيف حدد خصائصه الأساسية وأوضح دوره في الطبيعة؟

أشعة أم جزيئات؟

يمثل اكتشاف الإلكترون استكمالًا لعدة عقود من الأبحاث في مجال تفريغ الغاز، أي عملية تمرير تيار كهربائي عبر الغاز (الفيزياء 9، § 70-72). على وجه الخصوص، في منتصف القرن الماضي تقريبًا، وجد أنه إذا تم تطبيق جهد عالٍ بدرجة كافية على الأقطاب الكهربائية المغلقة في أنبوب زجاجي به غاز، فإن تيارًا كهربائيًا يمر عبر الغاز، ويتوهج الغاز نفسه. تعتمد طبيعة التوهج على ضغط الغاز والجهد المطبق، ويتم تحديد لون الضوء حسب طبيعة الغاز. ومع ذلك، عند ضغط منخفض بما فيه الكفاية (حوالي باسكال واحد، أي جزء من مائة ألف من الغلاف الجوي)، يختفي توهج الغاز تقريبًا (على الرغم من استمرار التيار في التدفق)، لكن زجاج الأنبوب يبدأ في التوهج مع ضوء مخضر.

ماذا يحدث في أنبوب التفريغ بعد اختفاء توهج الغاز؟ حول هذه المسألة، نشأ نزاع طويل الأمد بين الفيزيائيين الذين درسوا هذه الظاهرة بنشاط.

يعتقد الفيزيائيون الألمان (G. Hertz، E. Goldstein) أن أشعة خاصة تنبعث من كاثود الأنبوب، مما يؤدي إلى توهج الزجاج. ولهذا السبب جاءوا ليتم استدعاؤهم أشعة الكاثود. هيرتز، الذي اكتشف الموجات الكهرومغناطيسية، كان يميل بطبيعة الحال إلى الاعتقاد بأن أشعة الكاثود هي موجات كهرومغناطيسية خاصة، تشبه الضوء، ولكنها ضوء غير مرئي.

يعتقد الفيزيائيون الإنجليز (W. Crookes، A. Schuster، ثم J. J. Thomson) أن الأشعة التي خرجت من الكاثود ليست أشعة، ولكن بعض الجزيئات المشحونة سالبًا، وأنه تحت تأثيرها توهج الزجاج. على سبيل المثال، جادل كروكس بأن هذه جزيئات غازية تكتسب شحنة سالبة، عند الابتعاد عن الكاثود، ثم يتم تسريعها بواسطة قوة الجذب نحو الأنود. وكان هذا مدعومًا بحقيقة أن أشعة الكاثود تنحرف بواسطة المجال المغناطيسي. وبطبيعة الحال، عرف الفيزيائيون الألمان أيضًا بهذه الحقيقة المهمة، ولكن في ذلك الوقت لم يكن من الثابت بعد أن الموجات الكهرومغناطيسية لا تتفاعل مع المجال المغناطيسي.

لقد ثبت بشدة من قبل الطرفين المتنازعين أن خصائص أشعة الكاثود لا تعتمد على المادة التي يتكون منها الكاثود. وكانت هذه المناقشة مثمرة للغاية، حيث حاولت كل مجموعة من العلماء التوصل إلى تجارب تثبت صحتها وتنفيذها.

تم إجراء التجارب الحاسمة في عام 1897 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جوزيف جون طومسون. تتكون هذه التجارب من مراقبة حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

حركة الجسيمات المشحونة في المجالات الكهربائية والمغناطيسية

وفي العدد الأخير في مقالة "في عدد فاراداي والشحنة النوعية للجسيم المشحون" تبين أن السرعة υ والتسارع أيتم تحديد جسيم مشحون في مجال كهربائي بواسطة الشحنة المحددة للجسيم \(~\dfrac(q)(m)\) ( س- شحنة الجسيمات، م- كتلته):

\(~\upsilon = \sqrt(2 \dfrac(q)(m) U)\) , \(~a = \dfrac(q)(m) E\) ,

أين ش- الجهد، و ه- شدة المجال.

ولكن تبين أن حركة الجسيمات في مغناطيسييتم تحديد الحقل أيضًا من خلال شحنته المحددة. دعونا نظهر ذلك.

لكل جسيم مع الشحنة س(للتبسيط سنعتبرها إيجابية)، تتحرك بسرعة أولية \(~\vec \upsilon\) في مجال مغناطيسي مع الحث \(~\vec B\)، وقوة لورنتز \(~\vec F_L\) أعمال ("الفيزياء 9"، §89). إذا كان المتجه \(~\vec \upsilon\) عموديًا على المتجه \(~\vec B\)، فإن قوة لورنتز بالقيمة المطلقة تساوي QυBويتم توجيهه بشكل عمودي على ناقل السرعة ومتجه الحث المغناطيسي. وبما أن القوة متعامدة مع سرعة الجسيم، فإنها تجعل الجسيم يتحرك في دائرة، مما يعطيه تسارعًا مركزيًا. قانون نيوتن الثاني لهذه الحالة له الشكل

\(~m \dfrac(\upsilon^2)(r) = q \upsilon B\) ,

حيث لنصف القطر صنحصل على الدوائر

\(~r = \dfrac(m \upsilon)(qB) = \dfrac(\upsilon)(B \dfrac(q)(m))\) .

وبالتالي، بالنسبة لقيمة معينة من الحث المغناطيسي والسرعة الأولية للجسيم، يتم تحديد نصف قطر انحناء مساره فعليًا بواسطة الشحنة المحددة للجسيم \(~\left(\dfrac(q)(m) \right) \).

ومن المساواة الأخيرة يمكننا الحصول على صيغة لتحديد الشحنة المحددة نفسها:

\(~\dfrac(q)(m) = \dfrac(\upsilon)(Br)\) .

نصف قطر الدائرة صوالتحريض فيمن السهل قياس. ولكن لا تزال بحاجة إلى معرفة السرعة υ الجسيمات التي ليس من السهل قياسها. تمكن طومسون من التغلب على هذه الصعوبة. وهذه هي الطريقة.

تجارب جي جي طومسون

كان الغرض من تجارب طومسون هو تحديد الشحنة النوعية لتلك الجسيمات المفترضة التي تشكل، وفقًا للفيزيائيين الإنجليز، أشعة الكاثود. يظهر الجهاز الذي أنشأه طومسون بشكل تخطيطي في الشكل.

يتم لحام الكاثود في وعاء زجاجي ل، والأنود أوالحجاب الحاجز وألواح المكثفات. بين لو أيتم توفير جهد عالي بما فيه الكفاية لإنتاج أشعة الكاثود. "تقطع" الثقوب الموجودة في الأنود والحجاب الحاجز شعاعًا ضيقًا من الأشعة التي تضرب الجدار المقابل للوعاء، حيث تتسبب في توهج الزجاج. تمثل الدائرة المنقطة في الشكل ملفات (خارج الوعاء) تخلق مجالًا مغناطيسيًا متعامدًا مع المجال الكهربائي للمكثف (ومستوى الشكل).

عندما يتم إنشاء المجال الكهربائي للمكثف فقط في الأنبوب وتكون اللوحة العلوية مشحونة بشكل إيجابي، فإن شعاع الأشعة، إذا كان يتكون بالفعل من جسيمات سالبة الشحنة، ينحرف لأعلى (المسار أعلى الصورة). إذا تم إنشاء مجال مغناطيسي فقط، وتم توجيهه بعيدًا عنا إلى ما وراء مستوى النموذج، فإن الشعاع ينحرف إلى الأسفل (المسار ب). من خلال توهج الجدار النهائي للأنبوب، من السهل تحديد مكان وصول الشعاع بالضبط.

ولكن من الممكن تحديد قيم شدة المجال الكهربائي \(~\vec E\) والحث المغناطيسي \(~\vec B\) بحيث لا ينحرف الشعاع على الإطلاق ويتحرك على طول مسار مستقيم (كما هو موضح باللون الأحمر في الشكل). وهذا يعني أن القوة الكهربائية المؤثرة على الجسيم تساوي قوة لورنتز: التيسير الكمي = QυB. من هنا نحصل على التعبير عن سرعة الجسيم \(~\upsilon = \dfrac(E)(B)\). وبالتعويض بها في صيغة الشحنة المحددة نجد

\(~\dfrac(q)(m) = \dfrac(E)(B^2 r)\) . (*)

كل شيء في تجربة طومسون حدث كما هو متوقع. في مجال كهربائي، تحركت الحزمة في مسار واحد ( أ) ، في المغناطيسي - بشكل مختلف ( ب). وعندما يعمل كلا الحقلين في وقت واحد، فإن الشعاع لم ينحرف على الإطلاق.

وباستخدام الصيغة (*) التي تتضمن كميات يمكن قياسها بسهولة (ولا تتضمن سرعة الجسيمات)، أمكن تحديد الشحنة النوعية للجسيمات التي تشكل ما كان يسمى سابقا بأشعة الكاثود. وتبين أن الشحنة النوعية لهذه الجسيمات كبيرة جدًا: 1.76·1011 درجة مئوية/كجم. وتسمى هذه الجسيمات الإلكترونات. ولذلك أصبح من المتعارف عليه الآن أن سنة اكتشاف الإلكترون هي 1897، ومؤلف هذا الاكتشاف الأهم هو جوزيف جون طومسون.

وبما أن الإلكترونات تطير دائمًا خارج الكاثود الخاص بأنبوب التفريغ، بغض النظر عن المادة التي يتكون منها الكاثود، فيمكن استنتاج أن الإلكترونات جزء من أي ذرة. أعرب طومسون عن هذه الفرضية في نفس عام 1897.

على مدى السنوات القليلة المقبلة، أظهر طومسون (وكذلك علماء آخرين) أن الجسيمات المنبعثة من معدن ساخن أثناء الانبعاث الحراري لها نفس الشحنة المحددة، أي أنها أيضًا إلكترونات. الجسيمات المنبعثة من المعادن بواسطة الضوء لها أيضًا نفس الشحنة المحددة. وهذه أيضًا إلكترونات!

لدراساته النظرية والتجريبية لمرور الكهرباء عبر الغازات (مما أدى إلى اكتشاف الإلكترون)، حصل ج. ج. طومسون على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906.

حول كتلة وشحنة الإلكترون

بمعرفة قيمة الشحنة النوعية للإلكترون، لا يمكن قول أي شيء عن قيمة الشحنة أو عن قيمة كتلة الإلكترون بشكل منفصل. ومع ذلك، بحلول نهاية القرن الماضي، كانت قيمة الشحنة النوعية لأيون الهيدروجين معروفة بالفعل، وكذلك حقيقة أن شحنة أيون الهيدروجين بالقيمة المطلقة (ولكن ليس بالإشارة) تساوي الشحنة من الإلكترون. وهذا يتيح لنا أن نقول شيئًا عن كتلة الإلكترون. في الواقع، الشحنات النوعية للإلكترون وأيون الهيدروجين متساوية على التوالي

\(~\dfrac(e)(m_e) = 1.76 \cdot 10^(11)\) C/kg، \(~\dfrac(e)(m_H) = 9.65 \cdot 10^(7) \) C/ كلغ

(هنا ه- معامل شحنة الإلكترون، كما يشار إليه عادة، مه - كتلة الإلكترون، مح - كتلة أيون الهيدروجين). بقسمة \(~\dfrac(e)(m_e)\) على \(~\dfrac(e)(m_H)\)، نجد أن كتلة الإلكترون أقل بحوالي 1840 مرة من كتلة أيون الهيدروجين.

بعد حوالي 15 عامًا من تجارب طومسون، قام ر. ميليكان في الولايات المتحدة الأمريكية وأ.ف. إيفي في روسيا بقياس شحنة الإلكترون مباشرة، والتي تبين أنها تساوي 1.6·10 -19 درجة مئوية. وهذا يعطي كتلة الإلكترون قيمة 9.1·10 -31 كجم. هذه هي أصغر قيم الشحنة والكتلة في الطبيعة.

جوزيف جون طومسونولد في مانشستر. هنا في مانشستر، تخرج من كلية أوينز، وفي 1876-1880 درس في جامعة كامبريدج في كلية الثالوث المقدس الشهيرة (كلية ترينيتي). في يناير 1880، نجح طومسون في اجتياز امتحاناته النهائية وبدأ العمل في مختبر كافنديش.

كان طومسون مهووسًا بالفيزياء التجريبية. مهووس بأفضل معنى الكلمة. حظيت إنجازات طومسون العلمية بتقدير كبير من قبل مدير مختبر كافنديش رايلي. وعندما استقال من منصبه كمدير عام 1884، لم يتردد في التوصية بطومسون خلفًا له.

من عام 1884 إلى عام 1919 قام طومسون بإدارة مختبر كافنديش. وتحولت خلال هذه الفترة إلى مركز رئيسي للفيزياء العالمية، ومدرسة دولية للفيزيائيين. وهنا بدأنا رحلتنا العلمية رذرفورد، بور، لانجفينوالعديد من الآخرين، بما في ذلك العلماء الروس.

كان برنامج طومسون البحثي واسعًا: أسئلة حول مرور التيار الكهربائي عبر الغازات، والنظرية الإلكترونية للمعادن، والبحث في طبيعة الأنواع المختلفة من الأشعة...

بعد أن تناول دراسة أشعة الكاثود، قرر طومسون أولا وقبل كل شيء التحقق مما إذا كانت تجارب أسلافه، الذين حققوا انحراف الأشعة عن طريق المجالات الكهربائية، تم تنفيذها بعناية كافية. فهو يتصور تكرار التجربة، ويصمم لها معدات خاصة، ويراقب مدى دقة تنفيذ الأمر، وتكون النتيجة المتوقعة واضحة.

في الأنبوب الذي صممه طومسون، انجذبت أشعة الكاثود بشكل مطيع إلى اللوحة الموجبة الشحنة وتم صدها بوضوح عن اللوحة السلبية. وهذا يعني أنهم تصرفوا كما هو متوقع من تيار من الجسيمات الصغيرة السريعة الطيران والمشحونة بالكهرباء السالبة. نتيجة ممتازة!

من المؤكد أنه يمكن أن يضع حدًا لكل الجدل الدائر حول طبيعة أشعة الكاثود. لكن طومسون لم يعتبر بحثه مكتملاً. وبعد أن حدد طبيعة الأشعة من الناحية النوعية، أراد أن يعطي تعريفًا كميًا دقيقًا للجسيمات التي تتكون منها.

مستوحى من النجاح الأول، قام بتصميم أنبوب جديد: كاثود، أقطاب كهربائية على شكل حلقات وألواح يمكن تطبيق جهد كهربائي عليها. على الحائط المقابل للكاثود، قام بتطبيق طبقة رقيقة من مادة قادرة على التوهج تحت تأثير الجزيئات الواردة. وكانت النتيجة سلف أنابيب أشعة الكاثود، المألوفة لدينا في عصر أجهزة التلفزيون والرادارات.

كان الهدف من تجربة طومسون هو انحراف حزمة من الجسيمات بمجال كهربائي وتعويض هذا الانحراف بمجال مغناطيسي. وكانت الاستنتاجات التي توصل إليها نتيجة للتجربة مذهلة. أولا، اتضح أن الجزيئات تطير في الأنبوب بسرعات هائلة، قريبة من سرعة الضوء. وثانيًا، كانت الشحنة الكهربائية لكل وحدة كتلة من الجسيمات كبيرة بشكل خيالي.

أي نوع من الجسيمات كانت: ذرات غير معروفة تحمل شحنات كهربائية ضخمة، أم جسيمات صغيرة ذات كتلة ضئيلة، ولكن بشحنة أصغر؟ واكتشف أيضًا أن نسبة الشحنة النوعية إلى وحدة الكتلة هي قيمة ثابتة، مستقلة عن سرعة الجسيمات، ومادة الكاثود، وطبيعة الغاز الذي يحدث فيه التفريغ.

كان هذا الاستقلال مثيرًا للقلق. ويبدو أن الجسيمات كانت نوعًا من الجسيمات الكونية للمادة، ومكونات الذرات. "بعد مناقشة طويلة للتجارب، كتب طومسون في مذكراته، "اتضح أنني لا أستطيع تجنب الاستنتاجات التالية:

1. أن الذرات ليست غير قابلة للتجزئة لأن الجزيئات ذات الشحنة السالبة يمكن أن تنفصل عنها بالقوى الكهربائية أو تأثير الجزيئات السريعة الحركة أو الضوء فوق البنفسجي أو الحرارة.

2. أن هذه الجزيئات كلها لها نفس الكتلة، وتحمل نفس شحنة الكهرباء السالبة، مهما كان نوع الذرات التي تأتي منها، وهي مكونات لجميع الذرات.

3. كتلة هذه الجزيئات أقل من جزء من الألف من كتلة ذرة الهيدروجين. لقد قمت في الأصل بتسمية هذه الجسيمات بالجسيمات، لكنها تسمى الآن بالاسم الأكثر ملاءمة "الإلكترون".

بدأ طومسون في إجراء الحسابات. بادئ ذي بدء، كان من الضروري تحديد معالم الجسيمات الغامضة، وبعد ذلك، ربما يكون من الممكن تحديد ماهيتها. وأظهرت نتائج الحسابات: ليس هناك شك في أن الجسيمات المجهولة ليست أكثر من أصغر الشحنات الكهربائية - ذرات الكهرباء أو الإلكترونات غير القابلة للتجزئة.

وفي 29 أبريل 1897، في الغرفة التي كانت تعقد فيها اجتماعات الجمعية الملكية في لندن لأكثر من مائتي عام، تم إعداد تقريره. وكان المستمعون سعداء. لم يتم تفسير فرحة الحاضرين على الإطلاق بحقيقة أن الزميل جي جي طومسون كشف بشكل مقنع عن الطبيعة الحقيقية لأشعة الكاثود.

كان الوضع أكثر خطورة بكثير. لم تعد الذرات، اللبنات الأساسية للمادة، عبارة عن حبيبات أولية مستديرة، غير قابلة للاختراق وغير قابلة للتجزئة، وجسيمات ليس لها أي بنية داخلية...

إذا كان من الممكن أن تطير منها جسيمات سالبة الشحنة، فهذا يعني أن الذرات يجب أن تكون نوعًا من النظام المعقد، نظام يتكون من شيء مشحون بالكهرباء الإيجابية وجسيمات سالبة الشحنة - الإلكترونات. والآن، أصبحت معظم الاتجاهات الضرورية لعمليات البحث المستقبلية مرئية.

بادئ ذي بدء، بالطبع، كان من الضروري تحديد تهمة وكتلة إلكترون واحد بالضبط. وهذا من شأنه أن يجعل من الممكن توضيح كتل ذرات جميع العناصر، وحساب كتل الجزيئات، وتقديم توصيات بشأن التركيب الصحيح للتفاعلات.

في عام 1903، في نفس مختبر كافنديش في طومسون جي ويلسونأحدث تغييرًا مهمًا في طريقة طومسون. في وعاء يحدث فيه تمدد ثابت للحرارة للهواء المتأين، يتم وضع لوحات مكثفة، حيث يمكن إنشاء مجال كهربائي ويمكن ملاحظة سقوط السحابة، سواء في وجود المجال أو في غيابه.

أعطت قياسات ويلسون قيمة لشحنة الإلكترون تبلغ 3.1 في 10 أس سالب عشر لـ abs.el. وحدات تم استخدام طريقة ويلسون من قبل العديد من الباحثين، بما في ذلك طلاب جامعة سانت بطرسبرغ مالكوفو أليكسييف، الذي وجد الشحنة تساوي 4.5 في 10 أس سالب القوة العاشرة abs.el. وحدات وكانت هذه النتيجة الأقرب إلى القيمة الحقيقية التي تم الحصول عليها قبل أن يبدأ ميليكان في قياس الانخفاضات الفردية في عام 1909.

لذلك تم اكتشافه وقياسه الإلكترون - جسيم عالمي من الذراتوهو أول ما يسمى "الجسيمات الأولية" التي اكتشفها الفيزيائيون. وقد مكّن هذا الاكتشاف الفيزيائيين، أولاً، من طرح مسألة دراسة الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والضوئية للمادة بطريقة جديدة.

مصدر المعلومات: Samin D.K. "مائة اكتشاف علمي عظيم"، M.: "Veche"، 2002.

يستمر الجدل حول من اكتشف الإلكترون حتى يومنا هذا. بالإضافة إلى جوزيف طومسون، يرى بعض مؤرخي العلوم أن مكتشف الجسيم الأولي هو هندريك لورنتز وبيتر زيمان، وآخرون - إميل فيشيرت، وآخرون - فيليب لينارد. فمن هو العالم الذي اكتشف الإلكترون؟

الذرة تعني غير قابل للتجزئة

تم تقديم مفهوم "الذرة" للاستخدام من قبل الفلاسفة. يعود المفكر اليوناني القديم ليوكيبوس إلى القرن الخامس قبل الميلاد. ه. اقترح أن كل شيء في العالم يتكون من جزيئات صغيرة. وقد أطلق عليها تلميذه ديموقريطوس اسم الذرات. وبحسب الفيلسوف، فإن الذرات هي "اللبنات الأساسية" للكون، وهي غير قابلة للتجزئة وأبدية. تعتمد خصائص المواد على شكلها وبنيتها الخارجية: ذرات الماء المتدفق ناعمة، والذرات المعدنية لها أسنان جانبية تضفي الصلابة على الجسم.

يعتقد العالم الروسي المتميز إم في لومونوسوف، مؤسس النظرية الذرية الجزيئية، أنه في تكوين المواد البسيطة، تتشكل الجسيمات (الجزيئات) من نوع واحد من الذرة، بينما تتشكل الجسيمات المعقدة من أنواع مختلفة.

قام كيميائي عصامي (مانشستر) في عام 1803، بالاعتماد على البيانات التجريبية وأخذ كتلة ذرات الهيدروجين كوحدة تقليدية، بتحديد الكتل الذرية النسبية لبعض العناصر. كانت النظرية الذرية للإنجليزي ذات أهمية كبيرة لمواصلة تطوير الكيمياء والفيزياء.

بحلول بداية القرن العشرين، تم تجميع سلسلة كاملة من البيانات التجريبية، التي تثبت مدى تعقيد بنية الذرة. ويشمل ذلك ظاهرة التأثير الكهروضوئي (G. Hertz, A. Stoletov 1887)، واكتشاف الكاثود (J. Plücker, W. Crooks, 1870) والأشعة السينية (V. Roentgen, 1895)، والنشاط الإشعاعي (A) بيكريل، 1896).

تم تقسيم العلماء الذين عملوا مع أشعة الكاثود إلى معسكرين: افترض البعض الطبيعة الموجية لهذه الظاهرة، والبعض الآخر - الطبيعة الجسيمية. تم تحقيق نتائج ملموسة على يد جان بابتيست بيرين، الأستاذ في المدرسة العليا للأساتذة (ليل، فرنسا). وفي عام 1895، أظهر من خلال التجارب أن أشعة الكاثود هي عبارة عن تيار من الجسيمات سالبة الشحنة. ربما بيرين هو الفيزيائي الذي اكتشف الإلكترون؟

على أعتاب الإنجازات العظيمة

أعرب الفيزيائي وعالم الرياضيات جورج ستوني (الجامعة الملكية الأيرلندية، دبلن) في عام 1874 عن افتراض أن الكهرباء منفصلة. في أي عام ومن كان؟في سياق العمل التجريبي على التحليل الكهربائي، كان د.ستوني هو من حدد قيمة الحد الأدنى للشحنة الكهربائية (على الرغم من أن النتيجة التي تم الحصول عليها (10 -20 درجة مئوية) كانت أقل بـ 16 مرة من النتيجة الفعلية ). في عام 1891، أطلق عالم أيرلندي على وحدة الشحنة الكهربائية الأولية اسم "الإلكترون" (من الكلمة اليونانية القديمة "العنبر").

وبعد مرور عام، صاغ هندريك لورانس هولندا) الأحكام الرئيسية لنظريته الإلكترونية، والتي بموجبها يعتمد هيكل أي مادة على شحنات كهربائية منفصلة. ولا يعتبر هؤلاء العلماء مكتشفي الجسيم، لكن أبحاثهم النظرية والعملية أصبحت أساسًا موثوقًا لاكتشاف طومسون المستقبلي.

متحمس لا يتزعزع

لسؤال من اكتشف الإلكترون ومتى، تعطي الموسوعات إجابة واضحة لا لبس فيها - جوزيف جون طومسون في عام 1897. فما هي ميزة الفيزيائي الإنجليزي؟

كان والد الرئيس المستقبلي للجمعية الملكية في لندن بائع كتب ومنذ الطفولة غرس في ابنه حب الكلمة المطبوعة والتعطش للمعرفة الجديدة. بعد تخرجه من كلية أوينز (من عام 1903 - وجامعة كامبريدج في عام 1880)، ذهب عالم الرياضيات الشاب جوزيف طومسون للعمل في مختبر كافنديش. لقد فتنت الأبحاث التجريبية العالم الشاب تمامًا. وأشار زملاؤه إلى مثابرته وتصميمه وشغفه غير العادي بالعملي عمل.

في عام 1884، عندما كان عمره 28 عامًا، تم تعيين طومسون مديرًا للمختبر، خلفًا للورد سي رايلي. وتحت قيادة طومسون، نما المختبر على مدى السنوات الخمس والثلاثين التالية ليصبح واحدًا من أكبر مراكز الفيزياء العالمية. بدأ N. Bor و P. Langevin رحلتهم من هنا.

انتبه للتفاصيل

بدأ طومسون عمله في دراسة أشعة الكاثود من خلال التحقق من تجارب أسلافه. بالنسبة للعديد من التجارب، تم تصنيع معدات خاصة وفقا للرسومات الشخصية لمدير المختبر. بعد تلقي تأكيد نوعي للتجارب، لم يفكر طومسون حتى في التوقف عند هذا الحد. لقد رأى أن مهمته الرئيسية هي التحديد الكمي الدقيق لطبيعة الأشعة والجزيئات المكونة لها.

الأنبوب الجديد، المصمم للتجارب التالية، لم يشمل فقط الكاثود المعتاد والأقطاب الكهربائية المتسارعة (على شكل لوحات وحلقات) مع انحراف الجهد. تم توجيه تدفق الجسيمات إلى شاشة مغطاة بطبقة رقيقة من مادة تتوهج عندما تصطدم الجسيمات. كان من المفترض أن يتم التحكم في التدفق من خلال التأثير المشترك للمجالات الكهربائية والمغناطيسية.

مكونات الذرة

من الصعب أن تكون رائداً. بل إنه من الأصعب الدفاع عن معتقداتك التي تتعارض مع المفاهيم الراسخة منذ آلاف السنين. إن إيمانه بنفسه وبفريقه جعل طومسون هو الشخص الذي اكتشف الإلكترون.

وقد أسفرت التجربة عن نتائج مذهلة. وتبين أن كتلة الجزيئات أقل بألفي مرة من كتلة أيونات الهيدروجين. ولا تعتمد نسبة شحنة الجسيم إلى كتلته على سرعة التدفق، أو خصائص مادة الكاثود، أو طبيعة الوسط الغازي الذي يحدث فيه التفريغ. وتبادر إلى ذهني نتيجة تناقض كل الأسس: أن الجسيمات هي جسيمات كونية من المادة داخل الذرة. مرة تلو الأخرى، قام طومسون بفحص نتائج التجارب والحسابات بعناية وعناية. وعندما لم يعد هناك أي شك، تم تقديم تقرير عن طبيعة أشعة الكاثود إلى الجمعية الملكية في لندن. في ربيع عام 1897، لم تعد الذرة غير قابلة للتجزئة. في عام 1906، حصل جوزيف طومسون على جائزة نوبل في الفيزياء.

غير معروف يوهان ويشرت

اسم مدرس الجيوفيزياء في كونينجسبور ثم جامعة غوتنغن، الباحث في رصد الزلازل لكوكبنا يوهان إميل فيشرت، معروف أكثر في الأوساط المهنية للجيولوجيين والجغرافيين. لكنها مألوفة أيضًا لدى الفيزيائيين. هذا هو الشخص الوحيد الذي يعتبره العلم الرسمي مع طومسون مكتشف الإلكترون. ولكي نكون دقيقين تمامًا، نُشر العمل الذي يصف تجارب ويتشرت وحساباته في يناير عام 1897، أي قبل أربعة أشهر من نشر تقرير الرجل الإنجليزي. لقد تم تحديد من اكتشف الإلكترون تاريخيًا، لكن الحقيقة تظل حقيقة.

للإشارة: لم يستخدم طومسون مصطلح "الإلكترون" في أي من أعماله. لقد استخدم اسم "الكريات".

من مكتشف البروتون والنيوترون والإلكترون؟

بعد اكتشاف الجسيم الأولي الأول، بدأت الافتراضات حول البنية المحتملة للذرة. أحد النماذج الأولى اقترحه طومسون نفسه. وقال إن الذرة مثل قطعة حلوى الزبيب: جسم موجب الشحنة تتخلله جزيئات سالبة.

في عام 1911 (نيوزيلندا وبريطانيا العظمى) اقترح أن النموذج الذري له بنية كوكبية. وبعد ذلك بعامين، افترض وجود جسيم موجب الشحنة في نواة الذرة، وبعد أن حصل عليه تجريبيًا، أطلق عليه اسم البروتون. كما تنبأ بوجود جسيم محايد في النواة بكتلة البروتون (تم اكتشاف النيوترون في عام 1932 من قبل العالم الإنجليزي ج. تشادويك). في عام 1918، نقل جوزيف طومسون إدارة المختبر إلى إرنست رذرفورد.

وغني عن القول أن اكتشاف الإلكترون سمح لنا بإلقاء نظرة جديدة على الخصائص الكهربائية والمغناطيسية والضوئية للمادة. من الصعب المبالغة في تقدير دور طومسون وأتباعه في تطوير الفيزياء الذرية والنووية.

الإلكترون هو جسيم دون ذري يستجيب لكل من المجالات الكهربائية والمغناطيسية.

طوال النصف الثاني من القرن التاسع عشر، درس الفيزيائيون بنشاط ظاهرة أشعة الكاثود. كان أبسط جهاز تمت ملاحظتهم فيه عبارة عن أنبوب زجاجي محكم الغلق مملوء بغاز مخلخل، حيث تم لحام قطب كهربائي على كلا الجانبين: على جانب واحد الكاثود، متصلة بالقطب السالب للبطارية الكهربائية؛ مع آخر - الأنود، متصلة بالقطب الموجب. عندما تم تطبيق الجهد العالي على زوج الكاثود والأنود، بدأ الغاز المخلخل في الأنبوب في التوهج، وعند الفولتية المنخفضة، لوحظ التوهج فقط في منطقة الكاثود، ومع زيادة الجهد - داخل الأنبوب بأكمله؛ ولكن عند ضخ الغاز من الأنبوب، بدءاً من لحظة معينة، اختفى التوهج في منطقة الكاثود، وبقي بالقرب من الأنود. وعزا العلماء هذا التوهج أشعة الكاثود.

بحلول نهاية ثمانينيات القرن التاسع عشر، اتخذ النقاش حول طبيعة أشعة الكاثود طابعًا جدليًا حادًا. كانت الغالبية العظمى من العلماء البارزين في المدرسة الألمانية ترى أن أشعة الكاثود هي، مثل الضوء، اضطرابات موجية للأثير غير المرئي. وفي إنجلترا، كانوا يرون أن أشعة الكاثود تتكون من جزيئات متأينة أو ذرات الغاز نفسه. وكان لدى كل جانب أدلة قوية لدعم فرضيتهم. وقد أشار مؤيدو الفرضية الجزيئية بحق إلى حقيقة أن أشعة الكاثود تنحرف تحت تأثير المجال المغناطيسي، في حين أن أشعة الضوء لا تتأثر بالمجال المغناطيسي. ولذلك، فهي تتكون من جزيئات مشحونة. من ناحية أخرى، لم يتمكن مؤيدو الفرضية الجسيمية من تفسير عدد من الظواهر، ولا سيما تأثير المرور دون عوائق تقريبًا لأشعة الكاثود عبر رقائق الألومنيوم الرقيقة التي تم اكتشافها في عام 1892.

أخيرًا، في عام 1897، وضع الفيزيائي الإنجليزي الشاب جي جي طومسون حدًا نهائيًا لهذه الخلافات، وفي الوقت نفسه أصبح مشهورًا لعدة قرون باعتباره مكتشف الإلكترون. في تجربته، استخدم طومسون أنبوب أشعة الكاثود المحسن، والذي تم استكمال تصميمه بملفات كهربائية خلقت (وفقًا لقانون أمبير) مجالًا مغناطيسيًا داخل الأنبوب، ومجموعة من لوحات المكثفات الكهربائية المتوازية التي خلقت مجالًا كهربائيًا بالداخل انبوب. وبفضل هذا أصبح من الممكن دراسة سلوك أشعة الكاثود تحت تأثير المجالات المغناطيسية والكهربائية.

وباستخدام تصميم أنبوبي جديد، أظهر طومسون باستمرار ما يلي:

• تنحرف أشعة الكاثود في المجال المغناطيسي في حالة عدم وجود مجال كهربائي؛
• تنحرف أشعة الكاثود في مجال كهربائي في غياب المجال المغناطيسي؛
• مع العمل المتزامن للمجالات الكهربائية والمغناطيسية ذات الكثافة المتوازنة، الموجهة في اتجاهات تؤدي بشكل منفصل إلى انحرافات في اتجاهات متعاكسة، تنتشر أشعة الكاثود بشكل مستقيم، أي أن عمل المجالين متوازن بشكل متبادل.

وجد طومسون أن العلاقة بين المجالات الكهربائية والمغناطيسية التي تتوازن فيها تأثيراتها تعتمد على السرعة التي تتحرك بها الجسيمات. وبعد إجراء سلسلة من القياسات، تمكن طومسون من تحديد سرعة حركة أشعة الكاثود. اتضح أنها تتحرك بشكل أبطأ بكثير من سرعة الضوء، مما يعني أن أشعة الكاثود يمكن أن تكون جسيمات فقط، لأن أي إشعاع كهرومغناطيسي، بما في ذلك الضوء نفسه، ينتقل بسرعة الضوء (انظر طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي). هذه الجسيمات المجهولة. أطلق عليها طومسون اسم "الجسيمات"، لكنها سرعان ما أصبحت تعرف باسم "الإلكترونات".

أصبح من الواضح على الفور أن الإلكترونات يجب أن توجد كجزء من الذرات - وإلا فمن أين أتت؟ يعتبر 30 أبريل 1897 - تاريخ تقرير طومسون عن نتائجه في اجتماع الجمعية الملكية بلندن - عيد ميلاد الإلكترون. وفي هذا اليوم أصبحت فكرة “عدم قابلية تجزئة” الذرات شيئاً من الماضي (انظر النظرية الذرية لبنية المادة). جنبًا إلى جنب مع اكتشاف النواة الذرية الذي أعقب ما يزيد قليلاً عن عشر سنوات (انظر تجربة رذرفورد)، وضع اكتشاف الإلكترون الأساس للنموذج الحديث للذرة.

أصبحت أنابيب "الكاثود" الموصوفة أعلاه، أو بتعبير أدق، أنابيب أشعة الكاثود، أبسط أسلاف أنابيب صور التلفزيون الحديثة وشاشات الكمبيوتر، حيث يتم إخراج كميات خاضعة للرقابة الصارمة من الإلكترونات من سطح الكاثود الساخن، تحت تأثير المجالات المغناطيسية المتناوبة تنحرف بزوايا محددة بدقة وتقصف الخلايا الفسفورية للشاشات، وتشكل صورة واضحة عليها، ناتجة عن التأثير الكهروضوئي، والذي سيكون اكتشافه مستحيلًا أيضًا دون معرفتنا بالطبيعة الحقيقية للكاثود. أشعة.