الکترون

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری، جستجو


کشف الکترون[ویرایش]

الکترون ها هسته اتم را احاطه کرده اند.نام الکترون از واژه یونانی کهربا گرفته شده که صمغ فسیل شده زرد مایل به قهوه ای رنگی است که یونانیان اولیه روی آن تحقیق می کردند.آنها دریافتند وقتی کهربا را به تکه پارچه ای بمالند، چیزهای سبکی چون تکه های کاه را جذب می کند.این پدیده که به اثر کهربا معروف است به مدت 2000سال ناشناخته ماند.در اواخر قرن شانزدهم، ویلیام گیلبرت، پزشک ملکه الیزابت،مواد دیگری یافت که رفتاری کهربا مانند داشتند و آنها را "الکتریکی" نامید.مفهوم بار الکتریکی باید تقریبا دو قرن پس از آن منتظر آزمایش های بنجامین فرانکلین،دانشمند آمریکایی می ماند.فرانکلین آزمایش هایی را با الکتریسیته انجام داد و فرض کرد شاره ای الکتریکی وجود دارد که می‌تواند از جایی به جای دیگر روان شود. او جسمی را که مقدار اضافی از این شاره داشت دارای بار الکتریکی مثبت و جسم با کمبود این شاره را دارای بارالکتریکی منفی نامید.تصور می شد این شاره ماده معمولی راجذب و خودش را دفع کند.گرچه دیگر از شاره الکتریکی صحبت به میان نمی آوریم، اما هنوز روش فرانکلین را در تعریف الکتریسیته منفی و مثبت به کار می بریم. بیشتر ما چیزهایی درباره آزمایش بادبادک پرانی سال1752 فرانکلین در توفان آذرخش می دانیم که نشان داد آذرخش تخلیه الکتریکی بین ابرها و زمین است.این کشف به او نشان داد که الکتریسیته منحصر به اجسام جامد یا مایع نیست و می‌تواند در گازها نیز حرکت کند.آزمایش های فرانکلین بعدها الهام بخش دیگر دانشمندان در تولید جریان های الکتریکی در گازهای رقیق گوناگون و لامپ های شیشه ای مهر و موم شده گشت.سر ویلیام کروکس، دانشمند نامتعارف انگلیسی، نیز از این جمله بود که در دهه 1870 گمان می کرد می‌تواند با مردگان ارتباط برقرار کند. او را بیشتر به خاطر لامپ کروکس می شناسیم که لامپ شیشه ای مهر و موم شده حاوی گاز بسیار کم فشاری است که الکترودهایی در نزدیکی دو انتهای آن قرار دارند(طلایه دار تابلوهای نئون امروزی).وقتی الکترودها به منبع ولتاژی (مانند یک باتری) متصل می شدند، گاز تابان می شد.گازهای گوناگون به رنگ های مختلف تابان می شدند.آزمایش های انجام شده در لامپ های حاوی شیارها و صفحه های فلزی نشان داد نوعی پرتو که از پایانه منفی(کاتد) لامپ سرچشمه می گیردسبب تابان شدن گاز می گردد.شیارها پرتو را باریک می شاختند و صفحه ها مانع از رسیدن پرتوها به پایانه مثبت(آند) می شدند. این دستگاه را لامپ پرتو کاتدی نامیدند.وقتی بارهای الکتریکی را به لامپ نزدیک می کردند، پرتو منحرف می شد.حضور آهنربا سبب انحراف این پرتو می شد. این یافته ها نشان داد که پرتو از بارهای منفی تشکیل شده است. در سال 1897، جوزف جان تامسون فیزیک دان انگلیسی(جی.جی تامسون) نشان داد که پرتوهای کاتدی در واقع از ذرات یکسان کوچکتر و سبک تر از اتم تشکیل شده اند.او باریکه های نازکی از پرتوهای کاتدی تولید کرد و انحراف آنها را در میدان های الکتریکی و مغناطیسی اندازه گرفت.تامسون استدلال کرد مقدار انحراف باریکه ها به جرم و بار الکتریکی ذرات تشکیل دهنده اش بستگی دارد.بدین صورت که هر چه بار ذره بیشتر باشد، لختی آن زیادتر و انحرافش کمتر می شود.هرچه بار ذره بیشتر باشد، نیروی وارد بر آن زیادتر و انحرافش کمتر می شود.هرچه سرعت آن بیشتر باشد، انحرافش کمتر می شود.تامسون با اندازه گیری های دقیق انحراف باریکه موفق شد نسبت بار به جرم ذرات پرتو کاتدی را، که اندکی بعد آن را الکترون نامید،محاسبه کند.تمام الکترون ها یکسان اند؛ آنها رونوشت یکدیگرند.جایزه نوبل فیزیک سال 1906 را جی.جی تامسون برای اثبات وجود الکترون دریافت کرد.

نفر بعدی که بررسی ویژگی های الکترون پرداخت رابرت میلیکان فیزیک دان آمریکایی بود.او مقدار عددی یک واحد بار الکتریکی را بر مبنای آزمایشی محاسبه کرد که در سال 1909 انجام داد.در این آزمایش میلیکان قطره های بسیار ریز روغن را به داخل اتاقکی افشاند که بین صفحه های دارای بار الکتریکی- یعنی در یک میدان الکتریکی- قرار گرفته بود.وقتی میدان الکتریکی قوی بود برخی قطره های ریز به طرف بالا حرکت می کردند که نشان می داد حامل مقدار بسیار کمی بار منفی هستند.میلیکان، میدان را طوری تنظیم کرد که قطره های ریز معلق بی حرکت شدند.او می دانست که در این حالت نیروی پایین سوی گرانی وارد بر قطره ریز درست با نیروی بالاسوی الکتریکی متوازن می شود.تحقیقات نشان داد که بار هر قطره همواره مضرب درستی از مقدار بسیار کوچکی است که او آن را واحد بنیادی بار هر الکترون در نظر گرفت. با استفاده از این مقدار و نسبتی که تامسون کشف کرده بود، میلیکان نسبت جرم الکترون را حدود1/2000 جرم سبک ترین اتم شناخته شده،هیدروژن، به دست آورد.این موضوع ثابت کرد که اتم دیگر سبک ترین ذره ماده نیست. برای این کار میلیکان جایزه نوبل فیزیک سال 1923 را دریافت کرد. اگر اتم ها حاوی الکترون های دارای بار منفی بودند، پس منطقی این بود که ماده دارای بار مثبت متوازن کننده ای هم داشته باشند.جی.جی تامسون چیزی را مطرح کرد که آن را مدل"کیک کشمشی " اتم نامید و در ان الکترون ها مانند کشمش در دریایی از کیک دارای بارمثبت شناور بودند.آزمایش های رادرفورد و آزمایش با ورقه طلا،نشان داد که این مدل غلط است.


الکترون در مدل اتمی بور[ویرایش]

در سال 1913،بور با استفاده از نظریه کوانتومی پلانک و انشتین در مورد اتم هسته دار رادرفورد،مدل سیاره ای اتم را تدوین کرد. او استدلال کرد که الکترون ها حالت های مانایی(با انرژی،و نه با مکان معین) را در فاصله های مختلف از هسته اشغال می کنند و می‌توانند با پرش های کوانتومی (از حالت با انرژی بیشتر به حالت با انرژی کمتر) صورت گیرد. به علاوه متوجه شد که بسامد تابش گسیل شده از رابطه E=hf (در واقع f=E/h) به دست می آید که در آنE اختلاف انرژی الکترون در مدارهای مختلف است.این تحولی مهم بود زیرا نشان می داد که بسامد فوتون گسیل شده،بسامد کلاسیک ارتعاش الکترون نیست، بلکه مقدار آن را اختلاف تراز های انرژی در اتم تعیین می کند.بدین ترتیب بور توانست گام بعدی را بردارد و انرژی تک تک مدارها را مشخص کندمدل سیاره ای بور پرسش مهمی را مطرح می کرد.با توجه به نظریه ماکسول، الکترون های شتاب دار انرژی را به صورت امواج الکترومغناطیسی تابش می کردند.بنابراین،الکترونی که در حرکت شتاب دار به دور هسته بود باید مدام انرژی تابش می کرداین تابش انرژی باید باعث حرکت مارپیچی الکترون به طرف هسته می شد تا در نهایت بر روی هسته سقوط کند. بور در اقدامی جسورانه با بیان اینکه الکترون هنگام حرکت در یک مدار به دور هسته نور تابش نمی کند، بلکه تابش نور در گذار الکترون از تراز با انرژی بالاتر به تراز با انرژی پایین تر صورت می گیرد، از فیزیک کلاسیک منحرف شد.انرژی فوتون گسیل شده برابر اختلاف انرژی بین دو تراز انرژی است، E=hf. رنگ نور به اندازه پرش بستگی دارد.بنابراین، کوانتیده کردن انرژی نور تقریبا نظیر کوانتیده کردن انرژی الکترون است.


توصیف تراز های انرژی کوانتیده: امواج الکترون[ویرایش]

در گذار الکترون از تراز انرژی بالاتر به تراز انرژی پایین تر فوتون گسیل می شود و بسامد فوتون برابر اختلاف انرژی ترازها تقسیم بر ثابت پلانک،h است. هر چه این اختلاف انرژی بیشتر باشد، بسامد فوتون گسیل شده بیشتر می شود و ممکن است در ناحیه فرابنفش قرار بگیرد.الکترون در گذارهای با اختلاف انرژی کمتر، فوتونی با بسامد کمتر گسیل می کند که در ناحیه فروسرخ یا قرمز قرار می گیرد. هر عنصر ترازهای انرژی مشخصه خود را دارد؛بنابراین، گذار الکترون بین این ترازها در هر عنصر باعث گسیل رنگ های مشخصه آن عنصر می شود.هر عنصر طیف یکتای مربوط به خود را گسیل می دارد. این موضوع که الکترون ها فقط می‌توانند بعضی ترازهای انرژی را اشغال کنند، برای پژوهشگران اولیه از جمله خود بور حیرت انگیز بود. آنها از این رو تعجب می کردند که الکترون را ذره در نظر می گرفتند، ذره ای ریز که درست مثل سیاره ای که دور خورشید می گردد،در اطراف هسته می چرخید. درست همانطور که یک ماهواره می‌تواند در هر فاصله ای از خورشید دور آن بچرخد،پس الکترون هم باید بتواند در مداری با هر فاصله شعاعی از هسته حرکت کند که البته ، مثل مورد ماهواره این فاصله تابع سرعت است.الکترون هایی که در تمام مدارهای ممکن حرکت می کنند باید بتوانند نور با تمام انرژی ها را گسیل کنند.اما چنین چیزی رخ نمی دهد.چون نمی‌تواند رخ دهد.اینکه چرا الکترون ها فقط ترازهای گسسته اختیار می کنند را می‌توان با در نظر گرفتن الکترون به صورت موج و نه ذره، فهمید. لویی دوبروی مفهوم امواج مادی را در سال 1924 مطرح کرد.او فرض کرد که به هر ذره موجی وابسته است و طول موج این موج مادی با عکس تکانه آن متناسب است.رفتار این امواج مادی درست مانند امواج دیگر است؛ می‌توانند بازبتابند،شکسته یا پراشیده شوند، و با هم تداخل کنند.دوبروی با بهره گیری از مفهوم تداخل نشان داد که مقادیر گسسته شعاع مدارهای بور پیامد طبیعی امواج الکترون ایستاده است. هر جا موج الکترون به صورت سازنده روی خودش بسته شود یک مدار بور به وجود می آید. موج الکترون،مثل موج یک تار موسیقایی، به صورت موج ایستاده در می آید.از این نظر،الکترون ذره ای نیست که در جایی از اتم قرار دارد بلکه فرض می کنند که جرم و بار آن روی موجی ایستاده در اطراف هسته اتم پخش شده است،با تعداد صحیحی طول موج که به طور یکنواخت در محیط مدارها قرار می گیرد.

الف) هر الکترون مداری فقط وقتی موجی ایستاده تشکیل می دهد که محیط مدار آن مضرب صحیحی از طول موج باشد. ب) وقتی موج به طور همفاز روی خودش بسته نشود، تداخل ویرانگر رخ می دهد. پس مدارها وقتی بوجود می آیند که امواج به طور همفاز روی خود بسته شوند.

با توجه به این تصویر،محیط داخلی ترین مدار برابر یک طول موج است.دومین مدار محیطی برابر دو طول موج الکترون دارد، و سومین مدار سه طول موج و به همین ترتیب تا آخر.

Electron22.jpg

این شبیه زنجیر گردنبندی است که از گیره های کاغذ ساخته شده باشد.اندازه این گردنبند هر چه باشد، محیط آن همواره مضرب صحیحی از طول یک گیره خواهد بود-برای هر مدار،الکترون سرعتی منحصربه فرد دارد که طول موج آن را تعیین می کند.برای مدارهای با شعاع بیشتر، سرعت ها کمتر و طول موج ها بزرگترند؛ پس برای اینکه مقایسمان درست باشد، برای گردنبندهای بلندتر علاوه بر گیره های بیشتر باید از گیره های بلنتری هم استفاده کرد.- چون محیط مدارهای الکترون گسسته است، پس شعاع این مدارها، وانرژی ترازهای انرژی آنها نیز گسسته خواهد بود. این مدل نشان می دهد که چرا الکترون ها در حرکت مارپیچی به طرف هسته نمی روند تا اندازه های اتم را کوچک و برابر هسته آنها سازند. اگر هر مدار الکترون را با موجی ایستاده توصیف کنیم، محیط کوچکترین مدار نمی‌تواند کوچکتر از یک طول موج باشد.داشتن کسری از طول موج در امواج ایستاده دایره ای (یا بیضوی) امکانپذیر نیست.تا وقتی که الکترون حامل تکانه لازم برای رفتار موجی باشد، اتم ها روی خودشان فرو نمی ریزند. در مدل های باز هم جدیدتر اتم، امواج الکترون علاوه بر حرکت به دور هسته، به طرف داخل و خارج نیز حرکت می کنند، یعنی به هسته نزدیک و از آن دور می شوند. موج الکترون در سه بعد گسترش می یابد و ابری الکترونی تشکیل می دهد، که این یک ابر احتمال است نه ابری متشکل از خرده الکترون هایی که در سراسر فضا پراکنده شده اند.الکترون، هنگام آشکارسازی ذره ای نقطه ای باقی می ماند.


اسپین الکترون[ویرایش]

سه ثابت کلاسیک مربوط به حرکت ذره ای که تحت نیروی جاذبه عکس مجذوری قرار دارد، در نظریه کوانتومی،کوانتیده اند.این سه ثابت عبارتند از :انرژی،بزرگی اندازه حرکت زاویه ای مداری و مولفه اندازه حرکت زاویه ای مداری در یک جهت ثابت از فضا.در مکانیک کلاسیک،انرژی ذره ای در یک مدار بیضیوار با اندازه مدار، یعنی با محور بزرگ بیضی مشخص می شود؛به ازای یک محور بزرگ معلوم، بزرگی اندازه حرکت زاویه ای مداری ، با شکل مدار بیضیوار،یعنی با خروج از مرکز مسیر بیضیوار معین می شود؛ مولفه اندازه حرکت زاویه ای مداری، در امتداد جهتی از فضا توسط سمتگیری مدار بیضیوار تعیین می شود.در مکانیک کوانتومی به این ثابت های حرکت، اعداد کوانتومیn،l وml نسبت داده می شوند.در اینجا چهارمین و در عین حال آخرین عدد کوانتومیs را که به مفهوم اسپین الکترون مربوط می شود، معرفی می کنیم. قویترین گسیل در سدیم، از گذار 3p→3s ناشی می شود.هنگامی که این تابش با طیف سنجی که توان تفکیک آن نسبتا بالاست بررسی شود، مشاهده می شود که این گذار با دو خط زرد نزدیک به هم به نام خطوطD سدیم مطابقت دارد. در واقعا هر یک از خطوط طیفی سدیم چنین ساختار ریزی را نشان می دهند: برای هر گذاری که در شکل نشان داده شده است، در واقعا دو یا سه خط مشخص و مجزا وجود دارد که طول موج های انها بیش از چند آنگستروم اختلاف نخواهند داشت. این ساختار ریز بی هنجار است، زیرا بدون اعمال میدان مغناطیسی خارجی رخ می دهد و لذا نمی‌توان آن را به عنوان اثر بهنجار زیمان توجیه کرد. ساختار ریز در طیف های گسیلی و درآشامی، خصوصیت مشترک تمامی خط های طیفی اتمی است. ظاهرا، یک خصوصیت مشخص و اضافی از ساختار اتمی (خصوصیتی که نمی‌توان آن را بر حسب اعداد کوانتومیn،l و ml توجیه کرد)در ساختار ریز آشکار می شود.

Electron3 .jpg

انتساب ساختار ریز به اثر داخلی زیمان در داخل اتم بی مناسبت نیست. چنین اثری مستلزم حضور یک میدان مغناطیسی اتمی داخلی و چشمه جدیدی از گشتاور مغناطیسی و اندازه حرکت زاویه ای در داخل اتم است. اندازه حرکت زاویه ای مداری اتم قبلا منظور شده است؛ چه سهم دیگری برای اندازه حرکت زاویه ای می‌توان در نظر گرفت؟ در سال 1925 گودسمیت و اوهلن بک اظهار داشتند که یک اندازه حرکت زاویه ای ذاتی، کاملا مستقل از حرکت مداری، به هر الکترون وابسته است . این اندازه حرکت ذاتی، اسپین الکترون نامیده می شود، زیرا می‌توان آن را با اندازه حرکت ذاتی که هر جسم گسترده بر اساس دوران یا اسپین حول مرکز جرم خود دارد مانسته دانست.(یادآور می شویم که یک جسم چرخان متقارن دارای اندازه حرکت زاویه ای اسپینی است، که در محاسبات مربوط به اندازه حرکت زاویه ای، مستقل از انتخاب محور است؛ به بیان دیگر، اندازه حرکت زاویه ای یک جسم چرخان خاصیت ذاتی جسم است. ) البته اکنون در مکانیک موجی تلقی الکترون به عنوان یک کره ساده با بارالکتریکی صحیح نیست؛ بلکه به خاطر مشخص کردن اندازه حرکت زاویه ای اسپینی الکترون به کمک یک مدل قابل تجسم، بهتر است که آن را به عنوان جسمی که در فضا دارای گسترش است و به طور پیوسته حول یک محور به دور خود می چرخد فرض کنیم. در نتیجه، اسپین الکترون، اندازه حرکت زاویه ای ذاتیLs است که از دوران ابر بار حول یک محور دوران ثابت(نسبت به الکترون) ناشی می شود. به علاوه، چون بارالکتریکی منفی در حال دوران فرض می شود، یک میدان مغناطیسی توسط الکترون چرخان تولید خواهد شد و یک گشتاور مغناطیسی µs را که در جهت خلاف اندازه حرکت زاویه ای اسپینی Ls است می‌توان به اسپین الکترون نسبت داد.

منابع[ویرایش]

  • کتاب فیزیک مفهومی/جلد چهار فیزیک اتمی و هسته ای/تالیف پل جی.هیوئیت
  • کتاب مبانی فیزیک نوین/ریچارد وایدنر-رابرت سلز/ترجمه: علی اکبر بابایی-مهدی صفا اصفهانی