شناسایی و خواص ذرات زیر اتمی
در فیزیک یا شیمی ذرات زیر اتمی (Subatomic Particles) ذرات کوچکتر از یک اتم هستند. الکترون، پروتون و نوترون جز اولین ذرات زیراتمی بودند که کشف و مطالعه شدند. در ادامه با نحوه کشف و تعیین خواص آنها آشنا می شویم.
چندین دانشمند مانند William Prout و Norman Lockyer پیشنهاد نموده بودند که اتمها از ذرات سازنده کوچکتر و بنیادی تری تشکیل شده اند، اما به اشتباه تصور می کردند که این ذرات سازنده به اندازه کوچکترین اتم یعنی اتم هیدروژن هستند. این موضوع توسط تامسون (J. J. Thomson) رد شد. مطالعه پرتو کاتدی توسط تامسون منجر به کشف الکترون بعنوان اولین ذره زیراتمی شناخته شده و تعیین نسبت بار به جرم آن شد.
پرتو کاتدی
پرتوهای کاتدی در ابتدا در سال 1869 توسط Johann Hittorf مشاهده شدند و بعدا در سال 1876 توسطEugen Goldstein به نام پرتو کاتدی خوانده شدند. در آزمایش پرتوکاتدی دو صفحه فلزی درون یک حباب شیشه ای که درونش از هوا تخلیه شده بود، قرار داده شدند و به اختلاف ولتاژ زیادی متصل شدند. بخاطر اختلاف ولتاژ بالا یک صفحه به شدت فزونی الکترون پیدا می کند و منفی میشود، در حالیکه یک صفحه به شدت کمبود الکترون پیدا می کند و مثبت میشود. صفحه منفی کاتد و صفحه مثبت آند نامیده می شود. الکترون ها به دلیل وجود دافعه شدید با صفحه فلزی منفی و جاذبه شدید با صفحه فلزی مثبت از صفحه فلزی منفی کنده می شوند و به دلیل برقراری خلاء به راحتی به سمت صفحه مثبت حرکت می کنند. به چنین جریانی از الکترون ها که در فضای آزاد از صفحه منفی به سمت صفحه مثبت حرکت می کنند و از کاتد نشأت گرفته اند، پرتو کاتدی گفته می شود. به علت وجود جاذبه با صفحه فلزی مثبت الکترون ها به سمت این صفحه شتاب و سرعت می گیرند و در نهایت با سرعت به این صفحه برخورد می کنند و جذب آن می شوند. در صورتی که صفحه ی فلزی پرحفره باشد ممکن است برخی از الکترون ها برحسب اتفاق از حفره های آن عبور کنند و در آن سمت صفحه به صورت آزاد و پر سرعت در دسترس باشند. به عبارتی می توان با استفاده از پرتو کاتدی یک شلیک کننده الکترون یا یک تفنگ الکترونی داشت. این تفنگ الکترونی در ترکیب با یک وسیله برای دادن سرعت به الکترون ها و منحرف کردن آنها و یک صفحه آشکارساز محل برخورد الکترون های شلیک شده تیوب پرتو کاتدی ( Cathode Ray Tube بطور مخفف CRT ) نامیده می شود که برای نمایش تصاویر در تلویزیونهای سیاه و سفید قدیم، رادارها و ... بکار می رفت. شکل بعدی یک نمایش شماتیک برای پرتو کاتدی است.
توضیح شکل: نمایش شماتیک برای پرتو کاتدی
در ابتدا دانشمندان از ماهیت واقعی پرتو کاتدی خبری نداشتند و دو تئوری اشتباه در مورد آن وجود داشت. Crookes و Artur Shuster تصور می کردند پرتو کاتدی متشکل از اتمهای باردار شده به صورت الکتریکی هستند. دانشمندان آلمانی Eilhard Wiedemann ، Heinrich Hertz و Goldstein تصور می کردند پرتو کاتدی موجی (Aether Waves) است که نوع جدیدی از تابشهای الکترومغناطیسی مانند نور است و متفاوت از چیزی است که جریان الکتریکی را در حباب شیشه ای انتقال می دهد.
ماهیت پرتو کاتدی با اندازه گیری جرم پرتو کاتدی به روش حرارتی توسط تامسون در سال 1897 معلوم شد. تامسون دریافت که پرتو کاتدی جرم دارد و بنابراین متشکل از ذرات و نه امواج است. همچنین او جرم این ذرات را 1800 برابر سبکتر از جرم اتم هیدروژن بدست آورد. بنابراین تامسون نتیجه گرفت که این ذرات اتم نیستند بلکه اولین ذره زیر اتمی کشف شده هستند. او آنها را Corpuscle نامید، اما بعدا آنها الکترون نامیده شدند. بزودی دانشمندان فهمیدند که الکترونها ذراتی هستند که جریان الکتریکی را در سیمها انتقال می دهند و بار منفی در اتمها بخاطر حضور آنهاست. بعدا تامسون با مطالعه پرتو کاتدی تحت اثر میدانهای الکتریکی و مغناطیسی نسبت بار به جرم الکترون را به شیوه دیگری بدست آورد و اندازه گیری قبلی خود را تایید نمود. با شیوه دوم تامسون برای اندازه گیری نسبت بار به جرم الکترون در ادامه آشنا میشویم. تامسون جایزه نوبل فیزیک در سال 1906 را بخاطر همین کارها از آن خود کرد.
میدان
های الکتریکی
( مثلاً ناشی
از صفحات
باردار) به
ذرات باردار
ساکن یا درحال
حرکت نیرو
وارد می کنند
و مقدار نیرو
متناسب با
قدرت میدان (
مثلاً اندازه
بار صفحات
باردار)و
اندازه بار
ذره باردار
است. میدان
های مغناطیسی
( مثلاً ناشی
از آهن ربا) به
ذرات باردار
در حال حرکت
نیرو وارد می
کنند که مقدار
این نیرو
متناسب با
قدرت میدان
مغناطیسی،
اندازه بار
ذره، اندازه
سرعت ذره و
عامل جهت است
و نیروی
مغناطیسی
وارده عمود بر
جهت حرکت ذره
می باشد.
تامسون از این
نکات در
آزمایش خود
برای تعیین
نسبت 
الکترون
استفاده کرد.
تامسون آزمایش خود را در دو حالت انجام داد. در حالت اول پرتو کاتدی از میان قطب های یک آهنربا عبور داده شد و مقدار انحراف ذرات مشاهده و اندازه گیری شد. شکل بعدی این مطلب را نمایش می دهد.
توضیح شکل: انحراف پرتو کاتدی موقع عبور از میان قطب های یک آهنربا، دقت داشته باشید که آند برای عبور پرتو کاتدی سوراخ شده است.
در حالت دوم تامسون صفحات باردار را به آزمایش در حالت اول اضافه کرد و اختلاف پتانسیل میان صفحات یا به عبارتی مقدار بار صفحات یا به عبارتی قدرت میدان الکتریکی آنها را به گونه ای تنظیم کرد که نیروهای الکتریکی وارده بر روی پرتوهای کاتدی با نیروهای مغناطیسی وارده بر آنها همدیگر را خنثی کنند و پرتو کاتدی بدون انحراف باشد. شکل بعدی این مطلب را نمایش می دهد.
توضیح شکل: عبور بدون انحراف پرتو کاتدی از میان قطب های یک آهنربا بعلت اثر خنثی کنندگی میدان الکتریکی اضافه شده
تامسون براساس آزمایش در حالت دوم و روابط فیزیکی موجود سرعت پرتو های کاتدی را بدست آورد و با در دست داشتن سرعت پرتوهای کاتدی و مقدار انحراف از آزمایش در حالت اول نسبت بار به جرم الکترون را بدست آورد.
جوزف جان تامسون (18 December 1856- 30 August 1940)
بعد
از تعیین نسبت
الکترون
بر مبنای
آزمایش
تامسون، بارالکتریکی
الکترون بر
مبنای آزمایش قطره
روغن بدست
آمد.
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
**************************************************
سایت: www.youngchemist.com
مولف: محمد شاهی
نظرات، پیشنهادات و انتقادات: chemistry.shahi@gmail.com
**************************************************
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||