الکترون
|
محتویات
مکانیک کوانتومی
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
منبع
ویکیپدیا فارسی [۱]
