الکترون: تفاوت بین نسخه‌ها

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری، جستجو
 
(۱۱ نسخه‌ٔ میانی ویرایش شده توسط ۲ کاربر نشان داده نشده)
سطر ۱: سطر ۱:
 
[[رده:فیزیک]]
 
[[رده:فیزیک]]
−
الکترون یک 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 [[جرم]]ی 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 ماده|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 [[پرتو گاما]] تولید کنند. الکترون‌ها که متعلق به اولین نسل خانوادهٔ ذرات [[لپتون]] هستند، در واکنش‌های [[گرانش]]ی، [[الکترومغناطیس]]ی 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 [[اتم]]ها 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 [[پروتون]]ها و [[نوترون]]ها است، [[اتم]]ها را می‌سازند. هر چند که [[الکترون]]ها تنها ٪۰۶/۰ [[جرم]] کل یک [[اتم]] را تشکیل می‌دهند. نیروی جاذبهٔ کولنی بین یک الکترون و یک [[پروتون]] باعث می‌شود که الکترون‌ها در [[اتم]]ها 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 [[پوزیترون]]ها نابود شوند، و یا ممکن است در حین تشکیل هسته در [[ستاره]]ها، جذب شوند. وسایل آزمایشگاهی قادرند تا الکترون‌های منفرد را به خوبی [[پلاسما]]ی الکترون، نگهداری و مشاهده کنند، زیرا [[تلسکوپ]] های مخصوص می‌توانند [[پلاسما]]ی الکترون را در فضای بیرونی جو [[آشکارساز]]ی 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.
+
== کشف الکترون ==
  
−
[[پرونده:Crookes_tube-in_use-lateral_view-standing_cross_prPNr°11.jpg|400px]]
 
  
−
== تاریخچه ==
+
الکترون ها هسته [[اتم]] را احاطه کرده اند.نام الکترون از واژه ایرانی کهربا گرفته شده که صمغ فسیل شده زرد مایل به قهوه ای رنگی است که ایرانیان 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 [[گاز]]ها 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.
−
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 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 الکتریکی|میدان های الکتریکی]] و [[میدان مغناطیسی|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، [[نیرو]]ی 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.
  
−
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.
+
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 [[گرانش|گرانی]] وارد بر قطره ریز درست با [[نیرو]]ی 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.
  
−
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.
+
== الکترون در مدل اتمی بور ==
  
−
== اکتشاف ==
+
در سال 1913،[[نیلز بوهر|بور]] با استفاده از نظریه کوانتومی [[ماکس پلانک|پلانک]] و [[آلبرت اینشتین|انشتین]] در مورد [[اتم]] هسته دار [[ارنست رادرفورد|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 [[جیمز کلارک ماکسول|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.
−
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.
+
== توصیف تراز های انرژی کوانتیده: امواج الکترون ==
  
−
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 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 [[پرتو فرابنفش|فرابنفش]] قرار بگیرد.الکترون در گذارهای با اختلاف [[انرژی]] کمتر، فوتونی با بسامد کمتر گسیل می کند که در ناحیه [[پرتو فروسرخ|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 [[نیلز بوهر|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.
 +
[[پرونده:Electron11.jpg|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.|قاب|وسط|400px]]
  
−
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.
+
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.
  
−
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.
+
[[پرونده:Electron22.jpg|وسط|قاب|400px]]
  
−
[[پرونده:Cyclotron_motion_wider_view.jpg|400px]]
+
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 [[آشکارساز]]ی ذره ای نقطه ای باقی می ماند.
  
−
== نظریهٔ اتمی ==
 
−
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.
 
  
−
[[پرونده:Bohr_atom_model_English.svg|400px]]
+
== [[اسپین]] الکترون ==
  
−
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.
+
سه ثابت کلاسیک مربوط به حرکت ذره ای که تحت [[نیرو]]ی 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.
  
−
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 شده است.
+
[[پرونده:Electron3 .jpg|400px]]
  
−
== مکانیک کوانتومی ==
+
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 ۱۹۲۴ یک فیزیکدان فرانسوی به نام لوییس دوبروی در مقاله اش با عنوان (تحقیق دربارهٔ نظریهٔ کوانتوم) فرضیه‌ای را مطرح کرد که همهٔ مواد دارای یک موج دوبروی می‌باشند که شبیه نور است. در شرایط مناسب، الکترون‌ها یا مواد دیگر ممکن است از خودشان ویژگی‌های ذرات یا امواج را نشان بدهند. ویژگی‌های ذره‌ای یک ذره هنگامی بروز می‌کنند که در هر لحظه از طول مسیرش از خود یک موقعیت متمرکز در فضا نشان بدهد. طبیعت موجی هنگامی مشاهده می‌شود که مثلاً وقتی یک پرتو نور از میان دو شکاف موازی عبور می‌کند و تشکیل طرح تداخلی می‌دهد. در سال ۱۹۲۷ اثر تداخلی با یک پرتو از الکترون‌ها و با استفاده از یک پرده نازک فلزی توسط یک فیزیکدان انگلیسی به نام جورج پاجت تامسون مشاهده شد و همچنین دو فیزیکدان آمریکایی به نام‌های کلینتون دیویسون و لستر گرمر این اثر را با استفاده از یک بلور نیکل مشاهده کردند.
+
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.
  
−
موفقیت پیش بینی دوبروی منجر به انتشار معادلهٔ شرودینگر توسط اروین شرودینگر در سال ۱۹۲۶ شد که به طور موفقیت آمیزی چگونگی انتشار امواج الکترونی را توصیف می‌کرد. به جای ارائهٔ یک راه حل که مکان الکترون را در طول زمان بیان کند، این معادلهٔ موج می‌تواند برای پیش بینی احتمال یافتن الکترون در نزدیکی یک مکان مورد استفاده قرار گیرد. این دستاورد بعدها مکانیک کوانتومی نامیده شد که یک نتیجهٔ بسیار نزدیک به حالت‌های انرژی یک الکترون در یک اتم هیدروژن فراهم آورد. هنگامی که اسپین و واکنش بین الکترون‌ها در نظر گرفته شدند، مکانیک کوانتومی اجازه داد که تعریف الکترون‌ها در اتم‌های با اعداد اتمی بالاتر از هیدروژن به طور موفقیت آمیزی پیش‌بینی شوند.
+
== منابع ==
−
 
+
* کتاب فیزیک مفهومی/جلد چهار فیزیک اتمی و هسته ای/تالیف پل جی.هیوئیت
−
در سال ۱۹۲۸ پاؤل دیراک بر مبنای کار ولفگانگ پاؤلی یک مدل از الکترون به نام معادلهٔ دیراک ارائه داد که با نظریه نسبیت سازگار بود و آن را با اعمال فرض‌های نسبیتی و متناسب با فرمولبندی همیلتونی میدان الکترومغناطیسی در مکانیک کوانتومی مطرح کرد. در سال ۱۹۳۰ دیراک به منظور رفع برخی اشکالات موجود در معادلهٔ نسبیتی اش، یک مدل از خلأ به عنوان یک دریای نامتناهی از ذرات با انرژی منفی ارائه داد که دریای دیراک نامیده شد. این موضوع منجر شد که او وجود پوزیترون را که پادماده ای دربرابر الکترون است، پیش بینی کند. این ذره در سال ۱۹۳۲ توسط کارل اندرسون کشف شد و پیشنهاد داد که الکترون‌های استاندارد نگاترون نامیده شوند و الکترون به عنوان یک عبارت عمومی بکار برده شود که هر دو نوع گونه‌های باردار مثبت و منفی را توصیف می‌کند. امروزه هنوز عبارت نگاترون به ندرت استفاده می‌شود و شاید گاهی بصورت نگاتون کوتاه شود.
+
*کتاب مبانی فیزیک نوین/ریچارد وایدنر-رابرت سلز/ترجمه: علی اکبر بابایی-مهدی صفا اصفهانی
−
 
 
−
در سال ۱۹۴۷ ویلیس لام به هنگام همکاری با یک دانشجوی فارغ‌التحصیل به نام رابرت رادرفورد، متوجه شد که حالت‌های کوانتومی معینی از اتم هیدروژن که باید انرژی‌های یکسانی داشته باشند نسبت به یکدیگر تغییر می‌کنند که این تفاوت با نام تمایل لام شناخته می‌شود. تقریباً در همان زمان پولیکارپ کوش هنگام کار با هنری فولی، کشف کرد که گشتاور مغناطیسی الکترون کمی بیشتر از آن چیزی است که توسط نظریه دیراک پیش‌بینی شده‌است. این تفاوت کوچک بعد‌ها گشتاور دوقطبی مغناطیسی بهنجار الکترون نامیده شد. برای حل این گونه مسائل یک تئوری تصحیح شده در اواخر دههٔ ۱۹۴۰ به نام الکترودینامیک کوانتومی منتشر شد که به وسیلهٔ سین ایتیرو توموناگا، جولیان شوینگر و ریچارد فاینمن ارائه شده بود.
 
−
 
 
−
[[پرونده:Orbital_s1.png|400px]]
 
−
 
 
−
در مکانیک کوانتومی رفتار یک الکترون در یک اتم به وسیلهٔ یک اوربیتال توصیف می‌شود که به جای مدار یک توزیع احتمال است. در تصویر بالا سایه نشان دهندهٔ احتمال وابسته به پیداکردن الکترون است، که دارای انرژی ای است که به اعداد کوانتومی داده شده در آن نقطه وابسته‌است.
 
−
 
 
−
== شتاب دهنده‌های ذرات ==
 
−
با توسعهٔ شتاب دهندهٔ ذره‌ای در طول نیمهٔ اول قرن بیستم، فیزیکدان‌ها شروع به کاوش بیشتری در ذرات زیر اتمی کردند. اولین تلاش موفقیت آمیز برای شتاب دادن به الکترون‌ها با استفاده از القای الکترومغناطیسی را دونالد کرست در سال ۱۹۴۲ انجام داد. بتاترون اولیه او به انرژی ۲٫۳ MeV رسید اما بعدها بتاترون‌ها به انرژی ۳۰۰ MeV دست یافتند. در سال ۱۹۴۷ تابش سینکروترون با استفاده از یک سینکروترون الکترونی ۷۰ MeV و در شرکت جنرال الکتریک کشف شد. این تابش به دلیل شتاب الکترون‌ها با سرعتی نزدیک به سرعت نور و از میان یک میدان مغناطیسی به وجود آمد.
 
−
 
 
−
اولین برخورد دهنده ی ذرات با انرژی بالا آدون نام داشت که دارای یک پرتو با انرژی ۱٫۵ GeV بود و در سال ۱۹۶۸ شروع به کار کرد. این وسیله الکترون‌ها و پوزیترون‌ها را در جهت مخالف شتاب می‌داد، که به طور مؤثری انرژی حاصل از برخورد آن‌ها را در مقایسه با برخورد یک الکترون با یک هدف ساکن دوبرابر می‌کرد. شتاب دهندهٔ بزرگ الکترون-پوزیترون (LEP) در سرن که از سال ۱۹۸۹ تا ۲۰۰۰ در حال کار بود توانست به انرژی برخورد GeV ۲۰۹ دست یابد که یک معیار مهم برای مدل استاندارد فیزیک ذرات بود.
 
−
 
 
−
== ویژگی‌ها ==
 
−
'''طبقه بندی'''
 
−
 
 
−
در مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون‌ها به گروهی از ذرات زیر اتمی به نام لپتون‌ها تعلق دارند که ذرات بنیادی یا اولیه در نظر گرفته می‌شوند. الکترون‌ها دارای کمترین مقدار جرم در میان لپتون‌های باردار هستند (و یا هر نوع ذره دارای بار الکتریکی) و متعلق به اولین نسل ذرات بنیادی هستند. دومین و سومین نسل لپتون‌های باردار میوئون و تاو هستند که از نظر بار، اسپین و بر هم کنش با الکترون‌ها یکسان بوده ولی دارای جرم بیشتری می‌باشند. لپتون‌ها از نظر نداشتن برهم کنش قوی با جزء دیگر تشکیل دهندهٔ ماده به نام کوارک تفاوت دارند. همهٔ اعضای گروه لپتون‌ها فرمیون هستند زیرا همگی آن‌ها دارای اسپینی برابر نصف عدد صحیح واحد می‌باشند و الکترون دارای اسپین ½ است.
 
−
 
 
−
[[پرونده:Standard_Model_of_Elementary_Particles.svg|400px]]
 
−
 
 
−
== سیر تحولی و رشد ==
 
−
در نظریه‌های دالتون و نیز در نظریه‌های یونانیان، اتم‌ها کوچک‌ترین اجزای ممکن ماده بودند. اما در اواخر سده نوزدهم کم‌کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچک‌تر تشکیل یافته‌است. این تغییر دیدگاه، نتیجهٔ آزمایش‌هایی بود که با الکتریسیته به عمل آمد. در ۱۸۰۷ - ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته، پنج عنصر پتاسیم، سدیم، کلسیم، استرانسیم و باریم را کشف کرد و دیوی با این کار به این نتیجه رسید که عناصر با جاذبه‌هایی که ماهیتا الکتریکی هستند بهم وصل می‌شوند.
 
−
 
 
−
[[پرونده:Electron_scattering.png|400px]]
 
−
 
 
−
در سال ۱۸۳۳ - ۱۸۳۲ مایکل فارادی مجموعه آزمایش‌های مهمی در زمینه برقکافت شیمیایی انجام داد. در فرآیند برقکافت، مواد مرکب به‌وسیله الکتریسیته تجزیه می‌شوند. فارادی رابطه بین مقدار الکتریسیته مصرف شده و مقدار ماده مرکب تجزیه شده را بررسی کرد و فرمول قوانین برقکافت را بدست آورد. بر مبنای کار فارادی، جرج جانستون استونی در سال ۱۸۷۴ به طرح این مسأله پرداخت که: واحدهای بار الکتریکی با اتم‌ها پیوستگی دارند. او در سال ۱۸۹۱ این واحد را الکترون نامید.
 
−
 
 
−
در سال‌های پایانی سده نوزدهم میلادی بیشتر فیزیکدانان به این باور رسیدند که الکتریسته به دو صورت ظاهر می‌شود: یکی به صورت الکترون با جرم ۹٫۱۰۹۵۳۴X۱۰-۳۱ کیلو گرم و بار منفی ۱٫۶۰۲X۱۰-۱۹ کولن و دیگری به صورت پروتون با جرم ۱٫۶۷۲۶۲۳X۱۰-۲۷ کیلو گرم و بار ۱٫۶۰۲۱۷۷X-۱۹ اعتقاد بر این بود که اتمها (و در نتیجه مولکول‌ها) از ترکیب الکترون‌ها و پروتون‌ها شکل می‌گیرد. در اوایل دهه ۱۹۳۰ معلوم شد که هسته اتمها (بجز هیدروژن) از پروتونهای مثبت و نوترونهای خنثی و با جرم ۱٫۶۷۵X۱۰-۲۷ و بدون بار الکتریکی مثبت تشکیل می‌شود. همچنین کشف شد که الکترون مثبت (یا پوزیترون) نیز با جرمی برابر با جرم الکترون و باری برابر با بار الکترون ولی با علامت مثبت (دست کم به صورت لحظه‌ای) وجود دارد.
 
−
 
 
−
== ساختار اتم الکترونی ==
 
−
چنانچه گفته شد اتم‌ها از ترکیب الکترون‌ها و پروتون‌ها شکل گرفته‌اند و هسته اتم‌ها نیز از پروتون‌های مثبت و نوترون‌های خنثی تشکیل شده‌است. به این ترتیب، اتم خنثی هسته‌ای با بار مثبت دارد که با الکترون‌های (منفی) احاطه شده‌است. اندازه هسته در هر اتم از مرتبه حدود ۱۰/۱ اندازه اتم است. بقیه حجم اتم را الکترون‌های مداری در اشغال خود دارند.
 
−
 
 
−
== انتقال الکترون‌ها ==
 
−
در رسانای الکتریسته (که معمولاً از جنس فلزند)، مسیرهایی برای انتقال سریع الکترون‌ها وجود دارد. یونها (اتم‌ها و مولکول‌های با بار الکتریکی مثبت یا منفی در محلول‌ها) نیز می‌توانند رساننده الکتریسته باشند. الکتریسته می‌تواند در هوا یا گازهای دیگر نیز منتقل شود، این انتقال یا به صورت جرقه‌ای است که چشمه‌ای با ولتاژ زیاد (چند هزار ولت به ازای هر سانتیمتر فاصله) آن را در فشار جو بوجود می‌آورد. و یا در فشار کم نظیر آنچه در لامپ‌های نئونی روی می‌دهد به صورت تخلیه الکتریکی است. هنوز چیزهای زیادی از الکترون برای ما انسانها پوشیده‌است.
 
−
 
 
−
== گسیل الکترون ==
 
−
فلزات داغ الکترون‌های فراوانی گسیل می‌کنند که آنها را می‌توان در خلأ خوب به صورت پرتوهای کاتدی شتاب داد. این پرتوهای تولید شده در لامپ کاتدی را می‌توان به کمک میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی فلوئورتاب کانونی کرد. لامپ‌هایی که بر این اساس کار می‌کنند در میکروسکوپ‌های الکترونی، صفحه‌های نمایشی رایانه‌ها و همچنین در تلویزیون‌ها کاربرد دارد.
 
−
 
 
−
بر اثر کوشش‌هایی که برای عبور جریان برق در خلا به عمل آمد، یولیوس پلوکر در ۱۸۵۹ پرتوهای کاتدی را کشف کرد. موضوع از این قرار بود که دو الکترود در یک لوله شیشه‌ای وارد کردند و پس از مسدود کردن لوله، هوای آنرا تقریباً بطور کامل بیرون کشیدند. وقتی یک ولتاژ زیاد بین دو الکترود برقرار گردید، از الکترود منفی که کاتد نامیده می‌شود پرتوهایی گسیل یافت. این پرتوها بار منفی دارند، بر خط راست سیر می‌کنند و بر دیواره مقابل کاتد موجب تلألو می‌شوند. لامپ‌های تصویری که در صفحهٔ تلویزیون و صفحه نمایش‌های کامپیوتری به‌کار می‌روند. لوله‌های پرتو کاتدی جدیدی هستند، در این لامپ‌ها پرتوها بر صفحه‌ای متمرکز می‌شوند. این صفحه با موادی پوشیده شده که هنگام برخورد با تابش پرتوها درخشش ایجاد می‌کنند.
 
−
 
 
−
در اواخر سدهٔ نوزدهم، پرتوهای کاتدی بطور وسیعی مورد بررسی قرار گرفت. آزمایش‌های متعدد دانشمندان به این نتیجه انجامید که پرتوهای مذکور جریانی از ذرات بار دار منفی است که حرکتی سریع دارند. این ذرات همانطور که استونی پیشنهاد کرده بود الکترون نامیده شد. این الکترون‌ها که از فلز کاتد ناشی می‌شوند همواره یکسانند و به جنس فلز بستگی ندارند. چون بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند، جریان الکترون‌هایی که پرتوی کاتدی را بوجود می‌آورند هرگاه از میان دو صفحه با بارهای مخالف بگذرند به طرف صفحه‌ای که بار مثبت دارد کشیده می‌شوند. بنابراین پرتوهای کاتدی در یک میدان الکتریکی از مسیر عادی مستقیم خود منحرف می‌شوند. درجه این اختلاف به دو عامل بستگی دارد:
 
−
 
 
−
  1. انحراف بطور مستقیم با اندازه بار ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای که بار بیشتری دارد بیشتر از ذره‌ای که بار
 
−
    کمتری دارد منحرف می‌شود.
 
−
 
 
−
  2. انحراف بطور معکوس با جرم ذره تغییر می‌کند. ذره‌ای با جرم بزرگ‌تر کمتر از ذره‌ای با جرم کوچک‌تر
 
−
  منحرف می‌شود.
 
−
 
 
−
== انواع الکترونها ==
 
−
'''الکترون آزاد'''
 
−
 
 
−
الکترونی که از اتم جدا شده و به آن بستگی ندارد. الکترون‌های بیرونی‌ترین لایه‌های اتم‌های فلزات بستگی کمتری نسبت به اتم‌های خود دارند و با گرفتن انرژی کوچکی از این اتم‌ها کنده می‌شوند و به شکل توده‌ای از ابر یا گاز، شبکه‌های اتمی فلزات را در بر می‌گیرند. هنگامی که الکترون‌های آزاد در میدان الکتریکی قرار گیرند، جریان الکتریکی بوجود می‌آید.
 
−
 
 
−
'''الکترون اوژه'''
 
−
 
 
−
الکترون اوژه نوعی الکترون آزاد است که از اتم یا یون گسیل می‌شود. هنگامیکه الکترونی، اتم را ترک کند، یک جای خالی از خود بجا می‌گذارد. الکترون‌های لایه‌های بالاتر که پرانرژی‌ترند می‌توانند به این جای خالی رفته و انرژی آزاد کنند. انرژی آزاد شده می‌تواند به دو گونه باشد، یا بصورت فوتون تابش شود و یا به الکترون دیگری منتقل شده و باعث شود آن الکترون از اتم به بیرون پرتاب شود. الکترونی که بدین‌گونه از اتم خارج می‌شود را الکترون اوژه گویند.
 
−
 
 
−
به بیان دیگر، الکترون اوژه از بازآرایی الکترونهای مقید از اتم یا یون اولیه سرچشمه می‌گیرد. این بازآیی از واکنش الکترون - الکترون که مولد نیروی دافعه‌است و می‌تواند بر نیروی جاذبه ناشی از برهمکنش الکترون - هسته فایق آید، صورت می‌گیرد. با آن همه بازآیی یاد شده تنها هنگامی می‌تواند رخ دهد که حداقل جای یک الکترون در تراز انرژی معین اتم یا یون اولیه خاصی باشد و در تراز با انرژی بیشتر از انرژی تهی جا حداقل دو الکترون وجود داشته باشد، یکی از الکترون‌های تراز بالاتر به تراز دارای تهی جا سقوط می‌کند و الکترون دیگر به صورت الکترون آزاد از اتم خارج می‌شود.
 
−
 
 
−
'''الکترون ظرفیت یا الکترون والانس'''
 
−
 
 
−
هر یک از الکترون‌های لایه خارجی اتم که در ایجاد پیوندهای شیمیایی شرکت می‌کنند.
 
−
 
 
−
'''الکترون رسانش'''
 
−
 
 
−
اتم‌های هر فلزی با پیوندهای کووالانسی که راستای کاملاً مشخص ندارند و میان چندین اتم پخش شده‌اند، به همدیگر مقید هستند. بنابراین الکترون‌هایی که قیدشان در ضعیفترین حد است (الکترون ظرفیت) می‌توانند در سراسر فلز حرکت کنند. این الکترون‌های متحرک که الکترون رسانش نامیده می‌شود در خواص الکترونی و انتقال گرما در فلزها دخالت دارد.
 
−
 
 
−
== نکات دیگر ==
 
−
مدل گاز آزاد فرمی: برای فلزهای ساده مانند (pb , TI , In , GA , Al , Ba , Sr, Ca , Mg , Be , Rb , Cs , Ka , Na , Li) سهم الکترون رسانش در رسانندگی گازی از فرمیون‌ها بدون برهمکنش و با چشم پوشی از انرژی پتانسیل ناشی از بخش مرکزی یونها، می‌توان محاسبه کرد. در این مدل، انرژی مجاز الکترون‌های رسانشی پیوسته‌اند و در انرژی فرمی εf با یک سطح کروی فردی روبرو هستیم.
 
−
 
 
−
خواص الکترونی: وقتی یک میدان الکتریکی خارجی به فلز اعمال می‌شود، الکترون‌های رسانش شروع به شتاب گرفتن می‌کنند. اما برخورد این الکترون‌ها با ناخالصی‌ها به فوتون‌ها، ناکاملی‌های شبکه، حرکتشان را کند می‌کند، این فرآیند منجر به حالتی مانا می‌شوند که در آن سرعت سوق برای الکترون رسانش عبارت است از: v = -eET/m
 
−
 
 
−
که در آن e بار الکترون، E میدان الکتریکی، T زمان میانگین بین برخورد (یا زمان واهلش) و m جرم الکترون است.
 
−
 
 
−
سرعت سوق الکترون: میانگین سرعتی که با آن الکترون‌ها یا یون‌ها، بر اثر میدان الکتریکی در ماده‌ای رسانا یا نیم رسانا جابجا می‌شوند. نیم رساناهای خالص و آلاییده دارای حامل‌های (الکترون‌ها و حفره‌های رسانش) آزادی هستند که تحت تأثیر میدان الکتریکی ممکن است در داخل جسم جابجا شوند. تعداد الکترونها و حفره‌ها به جنس نیم رسانا و میزان و نوع آلایش و دمای آن بستگی دارد. اما در هر نیم رسانای قابل استفاده این تعداد معمولاً بین ۱۰۲۲ تا ۱۰۲۶ الکترون یا حفره در هر متر مکعب است. در غیاب میدان الکتریکی این حامل‌ها در جهت کاتوره‌ای در جسم حرکت می‌کنند و بنابراین جریان الکتریکی خالص بوجود نمی‌آورند.
 
−
 
 
−
هر گاه میدان الکتریکی برقرار شود، بر حاملها نیروی الکتریکی وارد می‌شود و در جهت نیرو به آنها شتاب داده می‌شود، که این امر به ایجاد جریان الکتریکی می‌انجامد. اما حامل‌ها با اتم‌ها و نقص بلور، مانند ناخالصی‌ها و دررفتگی‌ها نیز برهمکنش و برخورد نیز دارند و این برخوردها سبب می‌شوند سرعت الکترون کاتوره‌ای شود. به این ترتیب الکترون‌ها و حفره‌ها در جهت نیروی الکتریکی دارای سرعت متوسطی هستند. و این سرعت متوسط یا سرعت سوق با توازن بین نیروی الکتریکی در زمان T فاصله زمانی میانگین بین برخوردها مشخص می‌شود.
 
−
 
 
−
سرعت برخورد برابر است با Vp = eTE/m که در آن، E میدان الکتریکی اعمال شده بر حسب ولتمتر را، e بار الکترون و *m جرم مؤثر حامل است.
 
−
 
 
−
== اسپین الکترون ==
 
−
اسپین یکی از ویژگی‌های درونی ذرات است. اسپین خاصیتی است که به غیر صفر بودن تکانهٔ زاویه‌ای ذرّهٔ ساکن مربوط می‌شود، این‌که الکترون‌ها دارای اسپین هستند از اهمیت خاصی برخوردار است. اسپین الکترون در شیمی و در جنبه‌هایی از رفتار ماده معمولی، بویژه در پدیده‌های مغناطیسی نقش اساسی ایفا می‌کند. الکترون حامل اسپین ۲/۱ هسته و این بدان معنی است که برای الکترون ساکن اندازه‌گیری تکانه زاویه‌ای نسبت به یک محور مفروض به یکی از دو نتیجه ممکن ħ/۲ ± می‌انجامد ħ = h/۲π ثابت کاهیده پلانک است.
 
−
 
 
−
اسپین الکترون دو پیامد نیزدیکی دارد: یکی اینکه الکترون‌ها را به صورت آهنربایی میکروسکوپیکی در می‌آورد، که هم میدان مغناطیسی تولید می‌کنند و هم در برابر میدان مغناطیسی واکنش نشان می‌دهند. دیگر اینکه یک درجه آزادی داخلی نمی‌توانند حالت کوانتمی یکسان داشته باشند و این خاصیتی است به فرمیون بودن الکترون‌ها مربوط می‌شود. پراش الکترون فیزیک کلاسیک، الکترون‌ها را ذراتی در نظر می‌گیرد با جرم و بار معین، برهمکنش الکترون با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را می‌توان بر حسب حرکت ذره توضیح داد. آزمایش‌های اولیه با لامپ پرتوی کاتودی که باریکه الکترون را فراهم می‌آورد، نشان داد که اجسام کوچکی که در لامپ قرار داده شوند روی پرده فسفری سایه واضح می‌اندازند. این آزمایش با تصویر کلاسیکی الکترون به صورت ذره کاملاً سازگار است.
 
−
 
 
−
طول موج دوبروی الکترونی با انرژی ۱۰۰۰v یعنی الکترونی که با پتانسیل ۱۰۰۰v شتاب گرفته باشد، برابر ۴X۱۰<-۱۱ متر است. چون این مقدار بسیار کوچک‌تر از اندازه جسم است، اثر پراش بسیار کوچک‌تر از آن است که دیده شود. بلافاصله بعد از اینکه دوبروی اظهار نظر کرد که ماده باید خواص موجی از خود نشان دهد، والتر الساسر اعلام کرد که پراش الکترون‌ها باید در سطح بلور قابل مشاهده باشد.
 
−
 
 
−
 
 
−
== جستاره ای دیگر ==
 
−
* [[ذرات بنیادی]]
 
−
* [[لپتون]]
 
−
* [[فرمیون]]
 
−
* [[پاد ماده]]
 
−
* [[رسانا]]
 
−
* [[اتم]]
 
−
 
 
−
== منبع ==
 
−
ویکیپدیا فارسی [http://fa.wikipedia.org/wiki/%D8%A7%D9%84%DA%A9%D8%AA%D8%B1%D9%88%D9%86]
 

نسخهٔ کنونی تا ‏۱۹ آوریل ۲۰۲۲، ساعت ۱۳:۵۲


کشف الکترون[ویرایش]

الکترون ها هسته اتم را احاطه کرده اند.نام الکترون از واژه ایرانی کهربا گرفته شده که صمغ فسیل شده زرد مایل به قهوه ای رنگی است که ایرانیان 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
برگرفته از «http://wiki.avastarco.com/index.php?title=الکترون&oldid=17014»