كيف تم اكتشاف الإليكترون

كيف تم اكتشاف الإليكترون ؟، ويعلب الإليكترون دور أساسي وفعال في الظواهر الفيزيائية وكذلك في التفاعلات الكهرومغناطيسية من حولنا، كما في التفاعلات الكيميائية والكهرباء والمغناطيسية وغيرها من العمليات التي تجري في الكون، ونظرًا لأهمية الإليكترون ودوره المحوري في أغلب من يجرى حولنا من تفاعلات وعمليات سوف نتناول عبر هذا المقال المُقدم من موقع المرجع كيفية اكتشاف الإليكترون ونبذة مختصرة عن الإليكترون وعن مكتشفه.

ما هو الإليكترون

يُعرف الإليكترون المرموز له بالرمز (^–e) على أنه جسيم ذري ذو شكل كروي وهو المكون الأساسي للذرة ويحمل هذا الإليكترون شحنة كهربائية سالبة، وكتلة الإليكترون تعادل ما يُقارب من 1/1836 من كتلة البروتون لذا يعتبر من الجسيمات الأولية، هذا بالإضافة أن للإليكترون قيمة تبلغ نصف العدد الصحيح من وحدة (ħ)، وهذا يعني أنه فرميون (البوزيترون) وهو عكس الإليكترون مطابق له في كل شيء إلّا أنه معاكس له في الإشارة التي يحملها، وعندما يصطدما الاثنين يحدث عنهما تبعثر وتفتت لينتج عن هذا الاصطدام زوج من فوتونات أشعة الجاما.

والإليكترون ينتمي إلى الرعيل الأول من أشرة جسيمات ليبتون، التي تساعد وتساهم في القوى الأساسية النووية الضعيفة وللجاذبية الكهرومغناطيسية، وللإليكترون خصائص وصفات ازدواجية في ميكانيكا الكم وعندما يصطدم مع الجسيمات الأخرى ينحرف كما الضوء وهذا يظهر بشكل أكثر في التجارب المخبرية، وعندما يتحرك الإليكترون فهذا يعني أنه يقوم بامتصاص أو إنتاج طاقة في شكل فوتونات التي تحيط بالنواة المتألفة من بروتونات ونيوترونات، ومن ثمَّ يشكلا معًا الذرة، ويساهم الإليكترون في هذا بنسبة بسيطة جدًا تبلغ 0.06% من كتلة الذرة.

تاريخ الإليكترون

قبل القول الفصل بإكتشاف الإليكترون وبدء صياغته في المراجع العلمية ودراسته عن قُرب وروية، قد كان للإليكترون تاريخ طويل في ظل العصور المختلفة ومن بين أبرز تلك التواريخ ما يلي:

• كانت أولى المراحل التاريخية والتجارب التي مرت بها البشرية في اكتشاف الإليكترون مع الكهرباء، وهذا عند قدماء الإغريق عند ملاحظتهم لانجذاب الأشياء للكهرمان عند فركه بالقماش.
• كما أشار العالم الإنجليزي والفيزيائي وليام جيلبرت عام 1600 م في إحدى مقالاته إلى مصطلح قد أصاغه من اللغة اللاتينية الجديدة وأطلق عليه اسم (electricus)، وهذا للإشارة إلى خاصية جذب الأشياء البسيطة بعد فركها وهي مأخوذة من كلمة إغريقية قديمة نسبة إلى الكهرمان.
• وفي العام 1737 م اكتشف كلا من العالمين هاكسبي وشارل دو فاي بوجود شحنتين للكهرباء، تنتج أحدهما عبر الاحتكاك بالزجاج والأخرى نتيجة الاحتكاك بالراتنج وقال حينها بوجود سائلين كهربائيين أطلق عليهما الزجاجي والراتنج، ليأتي بعد ذلك بقرن العالم بنجامين فرانكلين ليقول بأن الكهرباء ليست متكونة من سوائل، وقدم لأول مرة الشحنات الإيجابية والسلبية.
• كما أثبت عالم الطبيعة البريطاني ريتشارد لامنج في الفترة بين عامي 1838: 1851 م بأن الذرة تتألف من مادة محاطة بجزيئات ذرية غير الذرة وتتكون من الشحنات الكهربائية.
• وفي العام 1846 م أثبت العالم الألماني قيبر نظريته التي تقول بأن الكهرباء تتكون من سائلين من شحنات موجبة وسالبة وتفاعلهما يخضعا لقانون التربيع العكسي.
• وكذلك في عام 1874 م قدم العالم الإيرلندي جورج ستوني اقتراح بعد دراسته للتحليل الكهربي وأقر بوجود كمية محددة واحدة من الكهرباء ذات شحنة من أيون أحادي التكافؤ، كما اعتقد حينها أن هذه الشحنات ترتبط بشكل دائم بالذرات ولا يمكن فصلها أو إزالتها، هذا بالإضافة إلى أنه قام بإطلاق مصطلح إلكترون لوصف هذه الشحنات الأولية بالعام 1881 م.[1]

اقرأ أيضًا: كيف يؤدي اكتشاف تقنيات جديدة الى تطور علم الأحياء وتقدمه

كيف تم اكتشاف الإليكترون

وللتعرف على كيف تم اكتشاف الإليكترون لا بد أن تعرف أن هذا الاكتشاف قد مرّ بالعديد من المراحل حتى الوصول إلى ما وصل إليه من بين أهم تلك المراحل ما يلي:

تجارب واكتشافات أولية 

• عام 1869 م اكتشف العالم والفيزيائي الألماني يوهان فيلهلم أثناء دراسته للكهرباء على الغازات المتخلخلة أن هناك وهج وضوء منبعث من مهبط يزيد حجمه حال تقليل ضغط الغاز عليه.
• وعام 1876 م قال الفيزيائي الألماني الجنسية يوجين غولدشتان بأن هناك أشعة لظل هذا الوهج المنبعث وأطلق عليها اسم أشعة الكاثود.
• كما أن للسير وليام كروكس خلال القرن السابع الثامن عشر دور مهم حيث إنه قام بتصميم أول أنبوب لأشعة الكاثود بشكل مجوف من داخلها، وعبر دراسته على الأشعة توصل إلى أنها تحمل طاقة وتنتقل بين القطبين الموجب والسلبي.
• ومن العلماء الذين ساهموا وبقوة في اكتشاف شحنة الإليكترون قبيل اكتشافه الفيزيائي البريطاني آرثر شوستر، بعد أن طور من تجارب كروكس السابقة وذلك عبر وضع صفيحة معدنية متوازية مع أشعة الكاثود وطبق الكمون الكهربائي بين صفيحتين، فقام المجال المتولد بصرف وطرد الأشعة بتجاه الصفيحة موجبة الشحنة مما أوضح أن تلك الأشعة تحمل شحنة سالبة، وفي عام 1890 م قدر شوستر نسبة هذه الشحنة عبر قياس انحرافها عن المستوى المحدد للتيار.

الاكتشاف الفعلي للإليكترون

وبالعام 1896 م تم اكتشاف الإليكترون على يد عالم الفيزياء البريطاني الجنسية جوزيف طومسون بمساعدة تاونستد وويلسون مساعديه، حيث قام بإجراء تجارب أظهرت أن أشعة الكاثود هي عبارة عن جسيمات فريدة من نوعها، وليست موجات أو جزيئات أو ذرات كما أعتقد سابقًا، فأعطى طومسون لهذه الجسيمات قيمة جديدة من الشحنة e والكتلة m وأسمها الكريات لها كتلة قد تكون 1/1000 من كتلة أقل الأيونات التي كانت معروفة حينها، وهي الهيدروجين فأظهر أن نسبة الشحنة للكتلة e/m مستقلة عن مادة الكاثود، كما قام طومسون بإنتاج جسيمات تحمل الشحنة السالبة وذلك من مواد مشعة بواسطة التسخين ومواد مضيئة، ليقوم بعد العالم والفيزيائي الأيرلندي بإعادة تسمية هذه الجسيمات ويطلق عليها مصطلح (إليكترون) ومنذ ذلك الحين عُرفت هذه الجسيمات بهذا الاسم إلى يومنا هذا.

وعبر اكتشاف الإليكترون على يد طومسون والذي اسماه في البداية باسم الجسيمات، وهذا الاكتشاف لعب دور محوري في الكشف ومعرفة التركيب الذري، وذلك عبر ارتباط الإليكترونات بنواة الذرات المشحونة بالشحنة الموجبة عن طريق الجذب الذي يحدث بين الشحنات الكهربائية المعاكسة عبر ذرة محايدة، حيث يكون عدد إليكتروناتها مساوي لعدد الإليكترونات في الشحنة الموجبة في النواة، وبهذا نستنتج أن قد تحتوي أي ذرة على عدد إليكترونات تحمل الشحنة السالبة لعدد أقل أو أكثر من الشحنات الموجبة وبناءً على عدد الإليكترونات هذه تكون الذرة سالبة أو موجبة الشحنة ككل.[2]

نبذة مختصرة عن طومسون

هو جوزيف جون طومسون عالم فيزياء بريطاني الجنسية ولد في الثامن عشر من ديسمبر عام 1856 م في تشيذام هيل ببريطانيا المتحدة، والتحق بدراسة الهندسة في الرابعة عشر من عمره بكلية أوينز العلمية الذي درس فيها الرياضة والهندسة، وهذا مكنه لاحقًا من دراسة الفيزياء التجريبية في مخبر كافينديش الملحق بجامعة كامبريدج وذلك في العام 1884 م ليتمكن بعد قرابة الثلاثة عشر عام من التحاقه من اكتشاف الإلكترون، وذلك في العام 1896 م عند البدء بتصميم وتطبيق بعض التجارب وتصميمه لأنبوب الأشعة كاثود التي ساعدت كثيرًا في اكتشاف الإليكترون والعديد من الاكتشافات الأخرى التي تلتها، ليتم تكريمه بالحصول على جائزة نوبل في الفيزياء في العام 1906 م هذا بالإضافة إلى العديد من الجوائز والتكريمات الأخرى التي حصل عليها، قبل وفاته في الثلاثين من أغسطس بالعام 1940م.[3]

مكونات أنبوب أشعة الكاثود

يتألف أنبوب أشعة الكاثود الذي أجرى عليه طومسون تجاربه عند اكتشاف الإليكترون من مجموعة من الأجزاء الرئيسية وهي كالتالي:

• أنبوب زجاجي مفرغ بشكل كامل من الهواء.
• مولد يعتمد عليه ويعمل كمدفع للإليكترون ويقوم بإنتاج شعاع من الإليكترونات.
• مجموعة من اللفافات الحارقة التي تعمل على إنتاج المجال الكهرومغناطيسي بتردد منخفض، وهذا يعمل على تعديل تجاه الحزمة دائمًا.
• القطب السالب والذي يطلق عليه اسم (الأنود).
• القطب الموجب والذي يطلق عليه اسم (الكاثود).
• شاشة مغطاة بمادة فسفورية؛ ليتكون عليها ضوء ساطع عند اصطدام الإليكترون بها.

خصائص الإليكترون

ينتمي الإليكترون لمجموعة الجسيمات دون الذرية التي تعرف باسم لبتونات وهي أجسام أولية، فيعتبر الإليكترون أقل كتلة ما بين جميع الجسيمات اللبتون، ويتميز بعدد من الخصائص أبرزها ما يلي:

• إذا أمتلك الجسم إليكترونات عدد أقل أو أكثر من الشحنات الموجبة بالنواة فهذا يخلق شحنة كهربائية، تصبح شحنة سالبة إذا كان عدد الإليكترونات أكثر وتصبح الشحنة موجبة إذا كانت عدد الإليكترونات أقل من بروتونات النواة.
• تساوي كتلة الإليكترون الساكنة ما يقدر بـ 9.109×10−31 كغم، أو 5.489×10−4 وحدة كتل ذرية هذا وفقًا لمبدأ آينشتاين لتكافؤ الطاقة والمادة، أي تعادل تقريبًا 1/1836 من كتلة البروتون.
• شحنة الإليكترون الكهربائية تساوي (−1.602×10−19 كولوم) والكولوم هو وحدة الشحن للجسيمات دون الذرية، ويرمز إلى الشحنة الأولية بالرمز e بينما يرمز للإليكترون سالب الشحنة بالرمز e^– وللبوزيترون e⁺ كونهما يحملا نفس الخصائص لكن بإشارات معاكسة.
• الإليكترون لا يملك بيئة تفصيلية محددة إذ يتم وصفه بأنه جسيم نقطي بشحنة نقطية لا حيز مكاني له.
• يمتلك الإليكترون زخم زاوي 1/2 ويتم تحديد هذه الخاصية بالإشارة إلى الإليكترون كجسيم لف 1/2 حجم اللف لهذه الجسيمات.
• يمكن أن تصبح الإليكترونات موجات كمثل باقي الجسيمات ويسمى هذا بازدواجية موجة جسيم وهذا يتم إثباته عبر استخدام تجربة الشق المزدوج.
• جميع الإليكترونات متماثلة ولا يمكن تميزها عن بعضها وتفرقتها عن طريق الخصائص الفيزيائية الفعلية.
• حال التناظر المضاد تحل معادلة الموجة للإليكترونات المتفاعلة فتؤدي إلى احتمالية الصفر فيشغل كل زوج نفس الحالة والمكان.
• في حال ظهور زوج البوزيترون والإليكترون الافتراضي فإن قوة كولوم للحقل الكهربائي المحيط بالإليكترون، تعمل على أنشأ البرزيترون لتنجذب للإليكترون الأساسي.
• يقوم الإليكترون بتوليد مجال كهربي يمارس فيه قوة الجذب على الجسيمات الموجبة كالبروتون وكذلك يقوم بطرد الجسيمات سالبة الشحنة.
• عند تحرك الإليكترون داخل مجال مغناطيسي يتم إخضاعه لقوة لورتنز فيتم التأثير بشكل عمودي على مساره الذي تم تحديده وكذلك سرعته.

الآثار التي ترتبت على اكتشاف الإليكترون

لاكتشاف الإليكترون الكثير من الآثار التي ترتبت على ذلك من بينها على سبيل الذكر تم التعرف بشكل أكبر على طبيعة وسلوك العمليات الكهربائية وكذلك التركيب والهيكل الذري للنواة، وهذا سهل وسرع التطورات التكنولوجية بداية من اختراع التلغراف والراديو والتلفاز والرادارات، فمثلا الراديو يتألف من موجات كهرومغناطيسي، هذا بخلاف التلفاز الذي يعتمد بشكل أساسي على أشعة الكاثود التي توجه شعاع الإليكترونات على الشاة فتظهر الصورة.[4]

وفي نهاية المقال نكون قد أوردنا في عُجالة وأجبنا على سؤال كيف تم اكتشاف الإليكترون ؟ مع تقديم شرح مختصر عن ماهية الإلكترون وتاريخ اكتشافه، هذا بالإضافة بالتعرف عن مكتشفه ونبذة مختصرة عن حياته لننتقل منها إلى خصائص الإليكترون ومن ثم ذكر بعض الآثار التي ترتبت على اكتشافه.