ماهو الإلكترون وهل يمتلك كتلة؟

ما هو الإلكترون؟
ببساطة هو جسيم دون ذري (subatomic particle) يحمل شحنة كهربائية سالبة، ولا توجد مكونات محددة له، ولذلك يسري الاعتقاد بأنه قد يكون جسيم أوّلي (لبنة البناء الأساسية للكون).
تبلغ كتلة الإلكترون 1\1836 من كتلة البروتون. وللإلكترونات جسيمات مضادة تُسمى بالبوزيترون (Positrons)، وهي مطابقة تمامًا للإلكترونات، إلا أن جميع خصائصها معاكسة. عندما تصطدم الإلكترونات والبوزيترونات معاً، فقد يُفني بعضها الآخر، وينتج زوج (أو أكثر) من فوتونات أشعة غاما (gamma ray). تتفاعل الإلكترونات ثقالياً، وكهرومغناطيسياً، كما أنها تدخل في التفاعلات الضعيفة أيضاً (weak interactions).
في عام 1913 افترض نيلز بور Niels Bohr أنّ للإلكترونات حالات طاقية مكممة، حيث تُحدد الطاقة بالاعتماد على اللف الذاتي أو السبين (كمية الحركة الزاوية/الزخم الزاوي)، وبالتالي تستطيع الإلكترونات التحرك بين المدارات عبر إصدار أو امتصاص الفوتونات.
شرحت تلك المدارات الخطوط الطيفية (spectral lines) لذرة الهيدروجين. لكن نموذج بور هذا فشل في حساب الكثافة النسبية للخطوط الطيفية، ولم يكن موفقًا في شرح أطياف ذرة أكثر تعقيدًا. ولاحقاً، اقترح جيلبرت لويس Gilbert Lewis عام 1916 أن الرابطة التساهمية (covalent bond) بين ذرتين تصمد جراء وجود زوج من الإلكترونات المشتركة.
وفي عام 1919 طوّر إيرفينغ لانغمير Irving Langmuir نموذج لويس الثابت (Lewis’ static model)، واقترح أن جميع الإلكترونات موزعة في “أغلفة كروية متحدة المركز (تقريباً) ومتساوية السمك”. جرى تقسيم هذه الأغلفة إلى عدد من الخلايا يحتوي كل منها زوج واحد من الإلكترونات. تمكن هذا النموذج وبشكل نوعي من شرح الخصائص الكيميائية لجميع العناصر في الجدول الدوري.
تساوي كتلة الإلكترون الثابتة 9.109×10−31 أو 5.489×10−4 من وحدة كتلة الذرة. ووفقًا لمبدأ أينشتاين في تكافؤ المادة والطاقة، تتلاءم هذه الكتلة مع الطاقة الساكنة البالغة 0.511 إلكترون فولت.
لدى الإلكترونات شحنة كهربائية تبلغ 1.602- × 10 كولوم، وهي الوحدة القياسية للشحنة بالنسبة للجسيمات دون الذرية، علماً أنّ شحنة الإلكترون مطابقة لشحنة البروتون. وبالإضافة إلى السبين، يمتلك الإلكترون عزم مغناطيسي جوهري على طول محور دورانه، وهو مساوٍ تقريبًا لواحد مغنتون بور (Bohr magneton).
يحدد اتجاه سبين الإلكترون بالنسبة لكمية حركته خاصية الجسيمات الأولية المعروفة بإسم “الحلزونية” Helicity. وقد أثبتت عمليات رصد جرت على إلكترون وحيد وجود حد أعلى لنصف قطر الجسيم يبلغ 10−2210−22 متر.
لكنّ بعض الجسيمات الأولية يتفكك إلى جسيمات أقل كتلة. لكن يُعتقد أن يكون الإلكترون مستقر فوق الأرض، وبالتالي فهو الجسيم الأقل كتلة والذي يمتلك شحنة غير معدومة. فهم ماهية الإلكترون يعني البدء في فهم اللبنات الأساسية للكون. إنه فهمٌ بدائي جداً، لكنه سيشكل حجر الأساس لتفكير علمي عظيم.
كيف تمكن العلماء من تحديد كتلة الإلكترون وشحنته؟
يمكن القول أن تحديد كتلة الإلكترون وشحنته من أهم الأعمال المؤثرة في تاريخ العلوم، وبناءًا عليها حصل العالِم الأمريكي (روبرت ميليكان – Robert A. Millikan) على جائزة نوبل لعام 1932.
ونبدأ في موضوعنا الخاص وهو كيف تم تحديد كتلة الإلكترون وشحنته.
تم ذلك على خطوتين أساسيتين بدأهما العالم طومسون بإكتشاف الإلكترون وتحديد الشحنة النوعية له وأكملها روبرت ميليكان.
الخطوة الأولى:
تحديد الشحنة النوعية للإلكترون:
الشحنة النوعية هي شحنة الإلكترون بالنسبة لكتلته.
في عام 1897 قام (طومسون – J. J. Thomson) بدراسة الجسيمات السالبة المكوِّنَة لأشعة الكاثود وأطلق عليها اسم الإلكترونات وحصل على جائزة نوبل عام 1906 تقديرًا لجهوده في اكتشاف الإلكترون.
استخدم طومسون في تجاربه (أنبوبة أشعة الكاثود – cathode ray tube)، وهي عبارة عن أنبوبة زجاجية مفرغة تمامًا لتناسب مرور الإلكترونات، تحتوي في داخلها على مهبط (القطب السالب) وهو مصدر للإلكترونات ومصعد وهو قطب موجب.
تُنتَج الإلكترونات من المهبط وتمر خلال لوحين من الألومنيوم يعملان كمُعَجِّلان، وعند تطبيق مجال مغناطيسي يؤدي ذلك إلي انحراف شعاع الإلكترونات علي هيئة قوس دائري.
ثم عندما تترك الإلكترونات المنطقة التي تأثرت بالمجال المغناطيسي، تسير في خط مستقيم إلى أن تصطدم بالسطح.
من هذا يمكن إستنتاج أن قوة المجال المغناطيسي المؤثرة على الإلكترونات تساوى HeV، حيث:
H: قوة المجال المغناطيسي
e: شحنة الإلكترون
V: سرعة الالكترون
وعندما تمر الإلكترونات في مرحلة القوس الدائري الناشئ فإنها تتأثر بقوة طرد مركزي مقدارها mv2/r وتساوي قوة المجال المغناطيسي HeV
mv2/r = HeV ∴ e/m = V/Hr
يسهل بالعمليات الرياضية حساب المقدار V/Hr بناءًا على التجربة. ومن الخطوات السابقة يمكن تعيين المقدار e/m، ووجد أنه يساوي 1.75882×108 كولوم لكل جرام وهذة القيمة ثابتة تحت أي ظروف.
الخطوة الثانية:
تجربة ميليكان:
في عام 1909 تمكَّن العالمان (روبرت مليكان – Robert A. Millikan) و(هارفي فلتشر – Harvey Fletcher) من تحديد كتلة وشحنة الإلكترون معاً عن طريق التجربة الشهيرة (تجربة قطرات الزيت – oil drops experiment).
قام ميليكان بإطلاق رزاز من قطرات الزيت بواسطة بخاخ فتسقط القطرات خلال فتحة من اللوح العلوي.
يمكن حساب كتلة القطرة من خلال معرفة السرعة التي تتحرك بها.
وبعد ذلك تم تسليط أشعة X التي بدورها أدت إلى تأين الغازات داخل مكان التجربة، عملية التأين تؤدي إلى توليد المزيد من الإلكترونات الحرة داخل إطار التجربة.
القطرات الساقطة تكتسب شحنة سالبة نتيجة الإلكترونات الحرة المتواجدة فى إطارالتجربة, وعند توليد جهد مناسب على اللوحين فإن ذلك يؤدي الى سقوط القطرات ببطء بسبب جذبها بواسطة اللوح العلوي المشحون بشحنة موجبة.
وعند جهد معين تتساوي القوتان المؤثرتان على القطرات (قوة جذب القطرة لأعلى بواسطة اللوح المشحون وقوة وزن القطرة لأسفل) وبذلك تظل القطرة معلقة في وسط اللوحين وبمعرفة الجهد المطبق وكتلة القطرة يمكن حساب شحنة القطرة ومنها يمكن حساب شحنة الإلكترون.
e/m = 1.75882×108
e = 1.60218×10-19
بالتعويض في علاقة الشحنة النوعية للإلكترون الناتجة من التجربة السابقة يمكن حساب m
m = 9.10940×10-28 g
يمكنك مشاهدة هذا الفيديو الذي يشرح تجربة قطرات الزيت لميليكان لزيادة التوضيح
الكتلة النسبية الذرية للإلكترون:
يمكن تحديد الكتلة النسبية الذرية للإلكترون مباشرةً عن طريق استخدام (مصيدة بيننج – Penning trap)، وهي عبارة عن جهاز يستخدم لحفظ الجسيمات المشحونة مثل الأيونات والإلكترونات والبروتون المضاد, فكرة عمل هذا الجهاز مبنية على استخدام مجال مغناطيسي متجانس ومجال كهربي رباعي الاقطاب غير متجانس.
كما أيضا تم استنتاج قيمة الكتلة النسبية الذرية للإلكترون من دراسة أطياف الهيليوم مضاد البروتون، وهي عبارة عن ذرات هيليوم تم استبدال أحد إلكتروناتها ببروتون مضاد.
ثابت رايدبرج هو ثابت يستخدم في تحليل الأطياف الذرية رمزه R∞ تم وضعه من قِبَل عالم الفيزياء السويدي (جوهانس ريدبرج -Johannes Rydberg) يمثل ثابت رايدبرج القيمة القصوي لاقصي عدد موجي لفوتون يمكن أن يصدر من ذرة الهيدروجين.
(نسبة البناء الدقيق – fine structure constant) ويسمي أيضا (ثابت سومرفيلد -Sommerfeld’s constant ) ورمزه α وهو ثابت يميز قوة التفاعل الكهرومغناطيسي بين الجسيمات الاولية.