الکترون

اسپین
الکترون
تئوری وجود الکترون در هیدروژن
ترکیب:	ذرات بنیادی اولیه
خانواده:	فرمیون
گروه:	لپتون
رده:	اول
برهم‌کنش:	جاذبه, الکترومغناطیس, نیروی ضعیف
پاد ذره بنیادی:	پوزیترون
استدلال:	G. Johnstone Stoney (۱۸۷۴)
کشف شده:	تامسون (۱۸۹۷)
نماد:	e⁻, β⁻
جرم:	۹٫۱۰۹ ۳۸۲ ۱۵(۴۵) × ۱۰^–۳۱ kg^[۱] ۵٫۴۸۵ ۷۹۹ ۰۹(۲۷) × ۱۰^–۴ u ^۱⁄_{۱۸۲۲٫۸۸۸ ۴۸۴۳(۱۱)} u ۰٫۵۱۰ ۹۹۸ ۹۱۸(۴۴) MeV/c^۲
بار الکتریکی:	–۱٫۶۰۲ ۱۷۶ ۴۸۷(۴۰) × ۱۰^–۱۹ C^[۲]





:	½

الکترونیک ذره زیر اتمی است که حامل یک بار الکتریکی منفی می‌باشد. الکترون هیچ جزء یا ذرهٔ زیر مجموعهٔ شناخته شده‌ای ندارد. بنابراین الکترون به طور کلی به عنوان یک ذرهٔ بنیادی شناخته می‌شود. یک الکترون دارای جرمی تقریباً برابر با۱۸۳۶/۱ جرم پروتون است. اندازه حرکت زاویه‌ای ذاتی (اسپین) الکترون یک مقدار نیمه صحیح بر حسب ħ است، که به معنای آن است که الکترون یک فرمیون می‌باشد. پاد ذره ی الکترون پوزیترون نامیده می‌شود. پوزیترون همان الکترون است با این تفاوت که پوزیترون حامل بار الکتریکی با علامت مخالف بار الکتریکی الکترون است. هنگامی که یک الکترون با یک پوزیترون برخورد می‌کند، هردو ذره ممکن است پراکنده شوند و یا اینکه کاملاً نابود شوند، و یک جفت (یا بیشتر) فوتون‌های اشعه گاما تولید کنند. الکترون‌ها که متعلق به اولین نسل خانوادهٔ ذرات لپتون هستند،در واکنش‌های گرانشی، الکترومغناطیسی و واکنش‌های ضعیف شرکت می‌کنند.الکترون‌ها، همانند همهٔ مواد، ویژگی‌های مکانیک کوانتومی مربوط به ذره و نیز موج را دارند، بنابراین آن‌ها می‌توانند با ذرات دیگر برخورد کنند و مانند نور دچار پراش شوند. هرچند به خوبی در آزمایش‌های انجام شده روی الکترون نشان داده می‌شود که دلیل این دوگانگی جرم بسیار کوچک الکترون است. از آنجاکه الکترون یک فرمیون است، طبق اصل طرد پاولی هیچ دو الکترونی نمی‌توانند یک حالت کوانتومی داشته باشند.مفهوم یک مقدار بار تجزیه ناپذیر برای توضیح ویژگی‌های شیمیایی اتمها به عنوان یک نظریه در آمد و در سال ۱۸۳۸ توسط یک فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی به نام ریچارد لامینگ مطرح شد; نام الکترون در سال ۱۸۹۴ توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج جانتسون استونی برای این بار الکتریکی انتخاب شد. الکترون در سال ۱۸۹۷ توسط ج.ج. تامسون و گروهش که متشکل از فیزیکدانان انگلیسی بود، به عنوان یک ذره شناسایی شد.

در بسیاری از پدیده‌های فیزیکی مانند الکتریسیته، مغناطیس و رسانش گرمایی، الکترون‌ها نقشی اساسی را ایفا می‌کنند. یک الکترون در حرکت نسبت به یک ناظر یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند، و توسط میدان‌های مغناطیسی خارجی منحرف خواهد شد. هنگامی که یک الکترون شتاب می‌گیرد، می‌تواند انرژی را به شکل فوتون جذب کرده و یا تابش کند. الکترون‌ها به همراه هستهٔ اتم که متشکل از پروتونها و نوترونها است، اتم‌ها را می‌سازند. هر چند که الکترون‌ها تنها ٪۰۶/۰ جرم کل یک اتم را تشکیل می‌دهند. نیروی جاذبهٔ کولنی بین یک الکترون و یک پروتون باعث می‌شود که الکترون‌ها در اتم‌ها مقید بمانند. تبادل و یا اشتراک گذاری الکترون بین دو اتم یا بیشتر دلیل اصلی تشکیل پیوندهای شیمیایی است.

طبق نظریه بیشتر الکترون‌های عالم در بیگ بنگ تولید شدند، اما آنها همچنین ممکن است از طریق واپاشی بتای ایزوتوپ‌های رادیواکتیو در برخوردهای با انرژی بالا مانند هنگامی که پرتوهای کیهانی وارد جو می‌شوند، تولید شده باشند. الکترون‌ها ممکن است به وسیلهٔ نابودی با پوزیترون‌ها نابود شوند، و یا ممکن است در حین تشکیل هسته در ستاره‌ها، جذب شوند. وسایل آزمایشگاهی قادرند تا الکترون‌های منفرد را به خوبی پلاسمای الکترون، نگهداری و مشاهده کنند، زیرا تلسکوپهای مخصوص می‌توانند پلاسمای الکترون را در فضای بیرونی جو آشکار سازی کنند. الکترون‌ها کاربردهای فراوانی دارند که از آن جمله می‌توان به جوشکاری، لوله‌های پرتو کاتدی، میکروسکوپ‌های الکترونی، پرتودرمانی، لیزرها و شتاب دهنده‌های ذرات اشاره کرد.

یونانیان باستان مشاهده کردند که وقتی کهربا با پشم مالش داده شود، اشیای کوچک را به سمت خود جذب می‌کند. اگر از صاعقه صرف نظر کنیم، این پدیده اولین تجربهٔ مکتوب بشر از الکتریسیته‌است. در دههٔ ۱۶۰۰ دانشمندی انگلیسی به نام ویلیام گیلبرت در مقاله‌ای با عنوان مگنت برای اشاره به این ویژگی جذب اشیای کوچک پس از مالش، واژهٔ لاتین جدیدی به نام الکتریکوس را به کار برد. واژه‌های الکتریسیته و الکتریک هر دو از واژهٔ لاتین الکتروم ( هم چنین ریشهٔ ترکیب همان اسم )، که از واژهٔ یونانی ήλεκτρον (الکترون) برای کهربا آمده‌است، مشتق شده‌اند.

در سال ۱۷۳۷ دوفی و هاوکس بی به طور جداگانه آن چه را که به عنوان دو نوع اصطکاک الکتریکی می‌شناختند کشف کردند ; یکی تولید شده از مالش شیشه، و دیگری از مالش رزین. مطابق آن دوفی گفت که الکترون از دو مایع الکتریکی تشکیل شده‌است، «ویترئوس» و «رزینوس» که به وسیلهٔ اصطکاک از هم جدا شده‌اند و هنگامی که با هم ترکیب شوند یکدیگر را نابود می‌کنند. یک دهه بعد بنجامین فرانکلین پیشنهاد داد که الکتریسیته از انواع مختلف مایع‌های الکتریکی ساخته نشده‌است، بلکه یک مایع الکتریکی تحت فشارهای مختلف است. او بارهای جدید را به ترتیب با نام‌های مثبت و منفی نام گذاری کرد. فرانکلین حامل بار را مثبت در نظر گرفته بود.

بین سال‌های ۱۸۳۸ تا ۱۸۵۱، فیلسوف طبیعت گرای انگلیسی ریچارد لامینگ به گسترش این نظریه که اتم متشکل از یک هستهٔ مادی است که به وسیله ذرات زیر اتمی حامل واحدهای بار الکتریکی در بر گرفته شده‌است، پرداخت.در اوایل سال ۱۸۳۶، یک فیزیکدان آلمانی به نام ویلیام وبر نظریه‌ای را مطرح کرد که الکتریسیته متشکل از مایع‌های باردار مثبت و منفی است و برهم کنش آن‌ها از قانون عکس مجذوری تبعیت می‌کند. پس از مطالعهٔ پدیدهٔ الکترولیز در سال ۱۸۷۴، فیزیکدان ایرلندی جورج جانستون استونی پیشنهاد کرد که یک مقدار بار الکتریکی ثابت وجود دارد که همان بار یون تک ظرفیتی است. او قادر بود تا مقدار بار بنیادی الکترون را به وسیلهٔ قوانین الکترولیز فارادی تخمین بزند هرچندکه استونی معتقد بود این بارها به طور دائمی به اتم‌ها متصل هستند و نمی‌توانند جدا شوند. در سال ۱۸۸۱ یک فیزیکدان آلمانی به نام هرمان وان هلمولتز مدعی شد که بارهای مثبت و منفی هر دو به قسمت‌های بنیادی تری تقسیم می‌شوند که هر کدام از آن‌ها «مانند اتم‌های الکتریسیته رفتار می‌کنند».

در سال ۱۸۹۴ استونی واژهٔ الکترون را برای توصیف این بارهای بنیادی به کار برد و گفت :«... یک تخمین از این قابل توجه ترین میزان واحد پایه‌ای الکتریسیته زده شد، که من به این دلیل اقدام به پیشنهاد نام الکترون کردم».کلمهٔ الکترون یک ترکیب از کلمهٔ الکتریک و پسوند -ون می‌باشد، که امروزه از دومی برای معین کردن یک ذرهٔ زیر اتمی مانند یک پروتون و یا یک نوترون استفاده می‌شود.

اکتشاف

یک پرتو از الکترون‌ها که به شکل دایره و به وسیلهٔ یک میدان مغناطیسی منحرف شده‌است.

یک فیزیکدان آلمانی به نام جان ویلهلم هیتورف عهده دار مطالعهٔ رسانایی الکتریکی در گازهای رقیق بود. در سال ۱۸۶۹ او یک تابش را که از کاتد ساطع می‌شد کشف کرد، که اندازهٔ این تابش با کاهش فشار گاز افزایش می‌یافت. در سال ۱۸۷۶ یک دانشمند آلمانی به نام یوگن گلدشتاین نشان داد که پرتوهای این تابش می‌توانند سایه تولید کنند، و او این اشعه‌ها را اشعه‌های کاتدی نامید. در طول دههٔ ۱۸۷۰، یک شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی به نام سر ویلیام کروکس، اولین لولهٔ پرتو کاتدی را به یک محفظه با خلأ بالا تبدیل کرد. او سپس نشان داد که پرتوهای لومینسانس در داخل لوله ظاهر شده، حامل انرژی هستند و از کاتد به طرف آند حرکت می‌کنند. علاوه بر این، او قادر بود تا با اعمال یک میدان مغناطیسی پرتوها را منحرف کند و بدین وسیله او توانست نشان دهد که این پرتو همانند اینکه بار منفی داشته باشد رفتار می‌کند. در سال ۱۸۷۹ او پیشنهاد داد که این ویژگی‌ها را می‌توان با چیزی که او آن را مادهٔ پرتوزا نامید، توضیح داد. او پیشنهاد کرد که این ماده چهارمین حالت ماده‌است که شامل مولکولهای با بار منفی است که با سرعت بالا از کاتد تابش می‌شوند.

یک فیزیکدان آلمانی الأصل انگلیسی به نام آرتور شوستر به وسیلهٔ قرار دادن صفحات فلزی به موازات پرتوهای کاتدی و اعمال پتانسیل الکتریکی بین این صفحات، به گسترش آزمایشات کروکس پرداخت. میدان ایجاد شده پرتوها را به طرف صفحهٔ با بار مثبت منحرف کرد، که ثابت می‌کرد این پرتوها حامل بار منفی هستند. با اندازه گیری مقدار این انحراف به ازای یک جریان معین، در سال ۱۸۹۰ شوستر قادر بود تا نسبت بار به جرم اجزای این پرتو را تخمین بزند. از آنجا که این نسبت بیش از هزار بار بزرگتر از آنچه انتظار داشتند بود، عدهٔ کمی به آن توجه کردند.

در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان انگلیسی به نام ج.ج تامسون با همکارانش به نام‌های جان تاونسند و ویلسون،آزمایش‌هایی را انجام دادند که نشان می‌داد پرتوهای کاتدی که قبلاً تصور می‌شد از موج‌ها، اتم‌ها یا مولکول‌ها ساخته شده‌اند، واقعاً ذرات یکتایی هستند.تامسون تخمین‌های خوبی از بار e و جرم m زد که نشان می‌داد ذرات پرتو کاتدی، که او آن‌ها را «کورپوسکل» می‌نامید، احتمالاً دارای جرمی معادل یک هزارم جرم سبک ترین یون شناخته شده یعنی هیدروژن هستند. او نشان داد که نسبت بار به جرم آنها یعنی e/m به جنس کاتد بستگی ندارد. او بعداً نشان داد که ذرات با بار منفی تولید شده به وسیلهٔ مواد رادیواکتیو، مواد پرحرارت و مواد تحت تابش نورانی، یکسان هستند. نام الکترون دوباره برای این ذرات توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج فیتزگراد پیشنهاد داده شد و این نام تاکنون مورد پذیرش جهانی است.

هنگام مطالعهٔ مواد معدنی دارای خاصیت فلوئورسانس در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان فرانسوی به نام هانری بکرل کشف کرد که این مواد بدون قرار گرفتن در معرض یک منبع انرژی خارجی، پرتو تابش می‌کنند. این مواد رادیو اکتیو تبدیل به موضوع مورد علاقه دانشمندان از جمله فیزیکدان نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد شدند که کشف کرد این مواد تابش کنندهٔ ذرات هستند. او این ذرات را بر اساس توانایی نفوذشان در مواد، آلفا و بتا نامید. در سال ۱۹۰۰ بکرل نشان داد که پرتوهای بتای تولید شده به وسیلهٔ رادیوم توسط میدان الکتریکی منحرف می‌شوند و نسبت جرم به بار آنها با پرتوهای کاتدی یکسان است. این مشاهده، دیدگاه وجود الکترون‌ها به عنوان جزئی از اتم‌ها را تقویت کرد.

در سال ۱۹۰۹ بار الکترون با دقت بیشتری توسط یک دانشمند امریکایی به نام رابرت میلیکان و بوسیله آزمایش قطره روغن او اندازه گیری شد و او نتایج این آزمایش را در سال ۱۹۱۱ منتشر کرد. در این آزمایش از یک میدان الکتریکی استفاده شده بود تا از سقوط قطره‌های کوچک روغن بر اثر جاذبه جلوگیری کند. این وسیله می‌توانست بار الکتریکی را برای تعداد کمی هم چون ۱-۱۵۰ یون را با خطای کمتر از٪ ۳/۰ اندازه بگیرد. پیش از این آزمایش‌های قابل مقایسه‌ای توسط گروه تامسون انجام شده بود ،که در آن‌ها از بخار قطرات ریز آب باردار که به وسیله برقکافت تولید شده بودند استفاده شده بود، و در سال ۱۹۱۱ آبرام ایوفی به طور جداگانه به همان نتیجهٔ میلیکان با استفاده از میکروذرات فلزات دست یافت، و نتایج آن را در سال ۱۹۱۳ منتشر کرد. هر چند که قطره‌های روغن به دلیل سرعت تبخیر کمتر، از قطره‌های آب پایدار تر و در نتیجه برای آزمایش دقیق در زمان‌های طولانی مناسب تر بودند.

در اوایل قرن بیستم مشخص شد که در شرایط خاصی یک ذرهٔ باردار متحرک با سرعت بالا باعث میعان بخار آب فراسیرشده در مسیر خود می‌شود. در سال ۱۹۱۱ چارلز ویلسون از این ویژگی استفاده کرد تا اتاقک ابر خود را طراحی کند که اجازه می‌داد از مسیر ذرات باردار نظیر الکترون‌های با سرعت بالا عکس برداری شود.

نظریهٔ اتمی

مدل اتمی بور، نشان دهندهٔ حالت‌های الکترون با انرژی کوانتیده به وسیلهٔ شمارهٔ n. هنگامی که الکترون به یک مدار پایین تر می‌افتد یک فوتون تابش تابش می‌کند که با اختلاف انرژی بین مدارها یکسان است.

در سال ۱۹۱۴ آزمایش‌های انجام شده به وسیلهٔ فیزیکدانانی هم چون ارنست رادرفورد، هنری موزلی، جیمز فرانک و گوستاو هرتز تا حد زیادی ساختار یک اتم را مشخص کرده بود که بیان می‌کرد یک هسته ی متراکم با بار مثبت به وسیلهٔ الکترون‌هایی با جرم کم محاصره شده‌است.در سال ۱۹۱۳ یک فیزیکدان دانمارکی به نام نیلز بور فرض کرد که الکترون در حالت‌های انرژی کوانتیده، با انرژی تعیین شده به وسیلهٔ اندازه حرکت زاویه‌ای مدارهای الکترون به دور هسته قرار دارد. الکترون‌ها می‌توانند بین این حالت‌ها یا مدارها با نشر یا جذب فوتون‌ها در فرکانس‌های خاص، حرکت کنند. او به وسیلهٔ این مدارهای کوانتیده خطوط طیفی اتم هیدروژن را به طور دقیقی توضیح داد. با این وجود مدل بور در بیان علت شدت نسبی خطوط طیف شکست خورد و در توضیح طیف اتم‌های پیچیده تر ناموفق بود.

پیوندهای شیمیایی بین اتم‌های به وسیلهٔ گیلبرت نیوتون لوییس توضیح داده شدند، که در سال ۱۹۱۶ پیشنهاد داد که یک پیوند کووالانسی بین دو اتم به وسیلهٔ دو الکترون به وجود می‌آید که بین دو اتم به اشتراک گذاشته می‌شوند. بعدها در سال ۱۹۲۳ والتر هایتلر و فریتز لاندن توضیح کاملی در مورد شکل گیری جفت الکترون و پیوند شیمیایی از طریق مکانیک کوانتومی ارائه دادند. در سال ۱۹۱۹ یک شیمیدان آمریکایی به نام اروین لانگمور مدل اتمی استاتیک لوییس را گسترش داد و معتقد بود که همهٔ الکترون‌ها در پوسته‌های کروی متحدالمرکز (تقریباً) با ضخامت یکسان به طور متوالی توزیع شده‌اند. پوسته‌ها توسط او به ترتیب به تعدادی سلول تقسیم شدند که هر کدام از آن‌ها شامل یک جفت الکترون بود. با این نظریه لانگمور قادر بود تا به طور کیفی ویژگی‌های شیمیایی همهٔ عناصر جدول تناوبی را توضیح دهد، که تصور می‌شد به طور گسترده‌ای خودشان را طبق قانون تناوبی تکرار می‌کنند.

در سال ۱۹۲۴ یک فیزیکدان اطریشی به نام ولفگانگ پاؤلی مشاهده کرد که ساختارهای پوسته شکل اتم می‌توانند به وسیله یک دسته چهارتایی از پارامترها توضیح داده شوند که هر حالت انرژی کوانتومی را تعریف می‌کنند مادامی که هر حالت به وسیلهٔ یک الکترون اشغال شده باشد. ( این محدودیت که یک حالت انرژی کوانتومی نمی‌تواند با بیش از یک الکترون اشغال شود به اصل طرد پاؤلی معروف شد.) ساز و کار فیزیکی برای توضیح چهارمین پارامتر که دو مقدار ممکن مجزا داشت، به وسیلهٔ فیزیکدان‌های هلندی به نام‌های آبراهام گودسمیت و جورج اوهلنبرگ فراهم شد و آن‌ها معتقد بودند که یک الکترون علاوه بر اندازه حرکت زاویه‌ای ناشی از حرکت دایره‌ای، خودش نیز می‌تواند اندازه حرکت زاویه‌ای داشته باشد. این ویژگی به عنوان اسپین شناخته شد، و گسستگی رمزآلود خطوط طیفی پیشین را که با یک طیف نگار دقیق مشاهده شده بودند را توضیح داد ; امروزه این پدیده به عنوان گسستگی ساختار ضعیف شناخته شده‌است.

منبع: ویکی پدیای فارسی

نظرات شما عزیزان: