المحتويات
من العالم الذي حسب كتلة الإلكترون
من العالم الذي حسب كتلة الإلكترون , كان العالم الفيزيائي البريطاني (جوزيف جون طومسون) من أوائل الذين اكتشفوا الإلكترون مع فريق عمله وحسب كتلته، واستطاع بعبقريته أن يقدم نظريات تدل على أن الذرة كيان قابل للقسمة، وأنها لا تمثل الوحدة الأساسية للمادة كما كان يعتقد البعض لفترة طويلة من الزمان، وقد اكتشف الإلكترون عقب إجراءه لسلسلة من التجارب على أشعة الكاثود في نهاية القرن التاسع عشر، وبحديثنا عن الإلكترون؛ فإن العلماء عرفوه على أنه جسيم ذري سالب الشحنة وذو كتلة ضئيلة جداً، وفي عام 1906؛ قد حاز جوزيف طومسون على جائزة نوبل في الفيزياء لاكتشافه التوصيل الكهربائي في الغازات المختلفة.
نشأة جوزيف جون طومسون
ولد جوزيف في 18 ديسمبر 1856، في منطقة شيثام هيل، الواقعة شمال مانشستر بإنجلترا، وجاء من أسرة بسيطة، فكان والده يبيع الكتب، ورغم أن جوزيف كان ينوي دراسة الهندسة؛ إلا أنه قد التحق بكلية (أوينز) في عمر صغير، فقد كان يبلغ 14 عاماً فقط، وقد عانى من تعسر مالي أثناء دراسته الجامعية، خاصة بعد وفاة والده بعد سنوات قليلة من التحاقه، ولكن بسبب تفوقه وذكائه؛ حصل على عدة منح دراسية، فترك تلك الكلية في عام 1876، وانتقل إلى كلية (ترينيتي) الموجودة بكامبريدج لدراسة الرياضيات.
بعد ذلك تزوج جوزيف طومسون في عام 1890، من سيدة تُدعى (روز إليزابيث)، وهي ابنة السير (جورج إي باجيت)، وكانت روز أستاذة فيزياء بجامعة كامبريدج، ثم رُزق الزوجان بطفلين، أحدهما يسمى(جورج إي)، وكان هو الآخر مثل أبويه محباً للفيزياء والرياضيات، فسار على خطى أبيه وانشغل بدراسة كل ما يتعلق بالإلكترونات، إلى أن استطاع أن يحصل على جائزة نوبل في نفس المجال.
اكتشاف العالم جوزيف طومسون
بعد تخرج جوزيف من كلية (ترينيتي) الموجودة بكامبريدج، عمل بها وكان جزءً من مختبر (كافنديش) التابع لقسم الفيزياء بالكلية، وفي عام 1883؛ أصبح محاضراً في الكلية ثم عُين كأستاذاً للفيزياء التجريبية، وقد ومحباً وشغوفاً بعمله، فحصل على عدد من التكريمات والجوائز، وكان حينها مهتماً بنظريات (كلارك ماكسويل) عن الكهرومغناطيسية، فنشر عدة أبحاث حولها، وركز على نظريات التوصيل الكهربائي للغازات.
وفي عام 1897؛ استطاع جوزيف أن يخرج للعالم بأهم اكتشاف علمي في التاريخ، وهو اكتشاف الإلكترون عن طريق التجارب على أنابيب أشعة الكاثود، ولكن حينها استبعدت الأدلة الداعمة لنظريته التي قدمها، فلم ييأس وعمل على استخدام الطاقة المغناطيسية لمعرفة ما إذا كان من الممكن فصل الشحنة السالبة عن أشعة الكاثود، ولم يستخدم الطاقة المغناطيسية فقط، وإنما حاول في الأمر بمجال كهربائي، ومن ثم قيم نسبة الشحنة إلى الكتلة للأشعة، فنجح بعد كل تلك المحاولات إلى أن يجعل عالم الفيزيائيين يقبلون بوجود الإلكترون.
وبمجرد اعتراف العالم أجمع بوجود الإلكترون، بدء جوزيف جون خطوته التالية في محاولة دمج الجسيمات في الذرة، فقد كان مؤمناً بالنموذج الذري لبودنغ أو ما يسمى (نموذج طومسون الذري)، فكانت وجهة نظره أن الذرة ما هي إلا جسم موجب الشحنة، ويدور حوله جسيمات تسمى (إلكترونات)، وهذا ما كانت تؤول إليه نظريات العالم الفيزيائي (إرنست رذرفورد).
تكريم العالم جوزيف طومسون
- الميدالية الملكية في عام 1894.
- ميدالية هيوز في عام 1902.
- جائزة نوبل في الفيزياء عام 1906.
- ميدالية الفروسية في عام 1908 من العائلة المالكة.
- أعلى وسام كوبلي في عام 1914.
- وسام الاستحقاق في عام 1912. [1]
تعريف الإلكترون
إن الإلكترون هو الجسيم الذي يدور حول الذرة وتكون شحنته
سالبة (1.602 × 10-19 كولوم)، مساوية لتلك التي يحملها البروتون،
ولكنها ذات إشارة موجبة ومقاومة لإشارة الإلكترون، ويكون
عدد الإلكترونات مساوٍ لعدد البروتينات حول النواة (وبهذا تكون
الذرة في حالة اتزان)، وعلى الرغم من تساوي مقدار الشحنة
بينهما؛ إلا أن حجم وكتلة الإلكترون أصغر من كتلة البروتون كثيراً، إذ تصل
كتلة الإلكترون إلى 9.10938356 × 10-31 كجم، أي ما يعادل 1/1837 تقريباً
من كتلة البروتون، ويُعد الإلكترون جسماً أولياً -أي لا يتجزأ إلى أجزاء أصغر منه-
، وهذا على عكس كلاً من البروتونات والنيوترونات التي تتكون من مكونات
أصغر، ويتواجد الإلكترون خارج النواة، كما أن خصائصه تشبه خصائص الموجة والجسيمات.
حركة الإلكترون
يعتقد العلماء أن الإلكترون الذري يدور حول النواة في مدارات كروية بينهم مسافات محددة، وشبهوا تلك الحركة بحركة الكواكب حول الشمس، ويذكر العلماء أن المدارات الأبعد عن جسم النواة تحتوي على أكبر قدر من الطاقة مقارنة بتلك القريبة منها، وعندما ينتقل إلكترون من مدار طاقة أكبر إلى آخر أقل؛ تطلق الذرة إشعاعاً كهرومغناطيسياً، ويمكن الاستفادة من دراسة هذا النموذج في فهم أساسيات توزيع الإلكترون ومستويات الطاقة المختلفة.
ويجب فهم أن هناك فرق بين مستويات الطاقة والمدارات،
فمستويات الطاقة تسمى أصدافاً إلكترونية، وتوجد حول النواة حاملة بالإلكترونات،
ويبلغ عددها 4 مستويات رئيسية؛ وهي: (K, L, M, N) ولكل مستوى طاقة
وحدة استيعاب لعدد معين من الإلكترونات، فلا يمكن تجاوزها إلا بالانتقال
إلى المستوى التالي، فنجد أن مستوى الطاقة K يحمل إلكترونين على
حد أقصي، ومستوى الطاقة L يحمل 8 إلكترونات، أما M فيحمل 18 إلكترون، ومستوى الطاقة N يحمل 32 إلكترون.
أما عن المدارات؛ فهي المكان الذي ترتفع فيه نسبة العثور على إلكترون
يدور حول النواة أثناء الانتقال بين مستويات الطاقة، فقد تصل تلك
النسبة إلى 90%، ويبلغ عددها 4 مدارات؛ وهي: (f, d, p, s)
وتسمى القشور الفرعية أو المستويات الفرعية، إذ تحتوي القشرة s على
مدار واحد من النوع s، والقشرة p على 3 مدارات من النوع p، وتحتوي
القشرة d على 5 مدارات من النوع d، وتحتوي القشرة الفرعية f على 7 مدارات من النوع f.
أسئلة متداولة عن الإلكترون
- هل الإلكترونات موجبة أم سالبة؟
- من الذي أطلق على الإلكترونات هذا لاسم؟
- هل يتساوى البروتون والإلكترون في الكتلة؟
- لماذا تتنافر الإلكترونات؟
- لماذا تكون الذرات محايدة (متزنة)؟
هل الإلكترونات موجبة أم سالبة؟ الإجابة: الإلكترونات سالبة الشحنة، وهي تقاوم شحنة البروتونات الموجبة.
من الذي أطلق على الإلكترونات هذا الاسم؟ الإجابة: (جي جونستون ستوني) هو أول من أطلق مصطلح إلكترونات في عام 1891، وذلك لوصف الشحنة التي تنقل التيار الكهربائي من خلال المواد الكيميائية، كما استخدم (جوزيف لارمور) هذا المصطلح أيضاً في أبحاثه في جامعة كامبريدج.
هل يتساوى البروتون والإلكترون في الكتلة؟ الإجابة: إن الإلكترونات جسيمات ذرية سالبة الشحنة الكهربية، ورغم أنها تتساوي في مقدار الشحنات مع البروتونات؛ إلا أنها تخالفها في نوع الشحنة نفسها ومقدار الكتلة، إذ تصل كتلة الإلكترون إلى 9.10938356 × 10-31 كجم، أي ما يعادل 1/1837 تقريباً من كتلة البروتون، أما عن كتلة البروتونات فنجدها تتساوى مع كتلة النيوترونات، فكلاهما أكبر من الإلكترون، ويمثلان 2000 ضعف كتلته تقريباً، ويكون لهما نفس مقدار الشحنة الموجبة.
لماذا تتنافر الإلكترونات؟ الإجابة: لأن الإلكترونات الحرة تسير في الاتجاه العكسي لخطوط القوة، لما لها من صفات الشحنات الموجبة، وبهذا تتغير شحنة تلك الإلكترونات وتتحول من الشحنة السالبة إلى الشحنة الموجبة.
لماذا تكون الذرات محايدة (متزنة)؟ الإجابة: لأن نسبة الإلكترونات والبروتونات متساوية، ولكن لهما شحنات متعارضة، فيقاوم كلاً منهما الآخر وتصبح الذرة محايدة
