نسبة الشحنة إلى الكتلة في أنبوب تومسون تعطى بالعلاقة
نسبة الشحنة إلى الكتلة في أنبوب تومسون تعطى بالعلاقة
نسبة الشحنة إلى الكتلة في أنبوب تومسون تعطى بالعلاقة e/m = 1.758820 × 1011 C/kg.
وتوضح المعادلة السابقة أن الإلكترون ذو الشحنة السالبة تكون كتلته منخفضة، فكتلته بالكيلو جرامات تساوي 9.10938356 × 10-31 ، وقد استنتجت تلك المعادلة جراء تجربة انبوب اشعة الكاثود التي أجراها العالم تومسون، واختصار e هنا يرمز إلى مقدرا شحنة الإلكترون في الكولوم، بينما يرمز الحرف m إلى كتلة الإلكترون بالكيلو جرام.
وقد لاحظ أن جزيئات الكاثود تنحرف عن المسار المحدد لها في وجود مجال مغناطيسي أو كهربائي، وتعتمد نسبة الانحراف على بعض العوامل؛ إذ تفاعلت الإلكترونات ذات الشحنة الأكبر تفاعلاً كبيراً مع المجال المغناطيس أو الكهربائي.
من ناحية أخرى انحرفت الإلكترونات ذات الكتل الصغيرة انحرافاً أكبر من سابقتها؛ وبهذا عرف تومسون أن الانحراف يتناسب عكسياً مع كتلة الإلكترون، رغم أن الانحراف يتناسب طردياً مع قوة المجال الكهربائي والمغناطيس. [1]
تجربة انبوب اشعة الكاثود
- التجربة الأولى لأنبوب أشعة الكاثود.
- التجربة الثانية لأنبوب أشعة الكاثود.
- التجربة الثالثة لأنبوب أشعة الكاثود.
استطاع تومسون أن يساهم في فهم المزيد عن عالمنا بفضل تجربة انبوب اشعة الكاثود التي أجراها، إذ فكر هذا العالم في استخدام أنبوب زجاجي مع أسلاك مدمجة في الطرفين، ومن ثم مرر خلاله كمية من الهواء، فوجد أن الشحنة الكهربائية التي تمر في الأنبوب تخلق توهجاً، مما عُرف فيما بعد باسم شعاع الكاثود، ولنكن أكثر دقة؛ أجرى تومسون 3 تجارب وهم:
التجربة الأولى لأنبوب أشعة الكاثود: كان تومسون دائم التفكير في كيفية إثبات أن الأشعة المنبعثة من قاذف الحزمة الإلكترونية لا يمكن فصلها عن الشحنة الكامنة، لهذا قامت تجربته الأولى على بناء أنبوب أشعة الكاثود، مع وضع أسطوانة معدنية في نهايته للسماح بقياس الشحنات الكهربائية الصغيرة.
وقد وجد أنه إذا مرر مجال مغناطيسي داخل الأنبوب لن يسجل أي نشاط إلكتروني، نتيجة انحراف الشحنة بعيداً عن طريق المجال المغناطيسي، وأثبت بهذا أن الشحنة السالبة والشعاع يتشابكان معاً.
التجربة الثانية لأنبوب أشعة الكاثود: لم يكتفي تومسون بمحاولته الأولى وأراد أن يثبت سالبية شحنة الإلكترون، من أجل ذلك عمل على تشتيت الإلكترونات بمجال كهربائي بدلاً من المجال المغناطيسي.
لهذأ أعاد تصميم أنبوب الكاثود مع تغييرات طفيفة، ووضع على كلا الجانبين لوحان كهربائيان ينتجان أنود موجب وكاثود سالب، وكما كان متوقع؛ فقد انحرفت الشحنة الكهربائية عن الأشعة، وهذا ما يثبت أن الالكترونات جسيمات مشحونة تحمل شحنة سالبة.
التجربة الثالثة لأنبوب أشعة الكاثود: استكمل تومسون سلسلة استنتاجاته العلمية، وقرر أن يتعرف على طبيعة الإلكترونات عن طريق معرفة مقدار انحنائها بواسطة تيار كهربائي، فاكتشف أن نسبة الشحنة إلى الكتلة كبيرة جداً، ثم توصل إلى أن أشعة الكاثود تتكون من جزيئات تنتج من داخل الذرات.
بهذه التجارب الثلاث استطاع تومسون افتراض أن الإلكترونات السالبة متواجدة في محيط به شحنة موجبة، إلى أن جاء تلميذه “رذرفورد” وطور نظريات معلمه وعلم أن الذرة لها نواة موجبة، تدور حولها إلكترونات سالبة. [2]
خواص أشعة الكاثود
- الشحنة.
- التنقل.
- تأثرها بالمجال الكهربائي والمجال المغناطيس.
- تعاملها مع الصفائح المعدنية.
- تأثرها بالغازات الموجودة في الأنبوب.
- منشأها.
- علاقتها بالأتنود.
- سرعتها.
- ضغط ميكانيكي.
- خلق درجة حرارة.
- تضيء.
- تعاملها مع اللوحات الفوتوغرافية.
- قوة تأين.
- أشعة أكس.
- كتلتها.
الشحنة: ذات شحنة سالبة.
التنقل: تنتقل في خط مستقيم لأنها ليست سوى إلكترونات.
تأثرها بالمجال الكهربائي والمجال المغناطيس: يمكن لأشعة الكاثود أن تنحرف عند وضعها في مجال كهربائي ومجال مغناطيسي.
تعاملها مع الصفائح المعدنية: تخترق أشعة الكاثود الصفائح المعدنية الرقيقة.
تأثرها بالغازات الموجودة في الأنبوب: لا تتأثر خصائص أشعة الكاثود بالأقطاب الكهربائية والغازات المستخدمة في الأنبوب المفرغ، فهي مستقلة بطبيعتها.
منشأها: تنتقل أشعة الكاثود من سطح الكاثود.
علاقتها بالأتنود: أشعة الكاثود ذات اتجاه مستقل عن موضع الأنود.
سرعتها: أشعة الكاثود سرعة جداً، فطاقة حركتها مرتفعة (تصل سرعتها إلى 1/30 من سرعة الضوء).
ضغط ميكانيكي: يمكن لأشعة الكاثود أن تمارس ضغط ميكانيكي مرتفع.
خلق درجة حرارة: عند سقوط أشعة الكاثود على معدن، ترتفع درجة حرارته نتيجة إنتاجها للحرارة.
تضيء: تنتج وميض.
تعاملها مع اللوحات الفوتوغرافية: يمكن أن تؤثر على لوحة فوتوغرافية.
قوة تأين: لها قوة مؤينة ضعيفة للغازات.
أشعة أكس: يمكن استخدامها لإنتاج أشعة إكس.
كتلتها: أخف 180 مرة من عنصر الهيدروجين. [3] [4] [5]
جوزيف جون طومسون
بعد التعرف على أشهر تجربة أداها جوزيف جون طومسون، عينا التعرف على نشأة هذا العالم، فقد وُلد يوم 18 ديسمبر عام 1856 بالقرب من مانشستر بإنجلترا، وعندما بلغ 14 عاماً استطاع الإلتحاق بجامعة مانشستر أو ما كانت تسمى قديماً جامعة “أوينز” وقد نبغ فيها وقدم عدة دورات عن الفيزياء، إلى أن حصل على منحة دراسية عام 1876 للدراسة في كامبريدج.
بقى جون في كامبريدج بقية حياته، وفيها حصل على درجة البكالوريوس في الرياضيات عام 1880، ثم تولى قيادة مختبر كافنديش، وطور فيه نظرياته الكهرومغناطيسية، وبسببها حصل على جائزة نوبل في الفيزياء نتيجة أبحاثه في التوصيل الكهربائي للغازات، وبعد ذلك عُين رئيساً للجمعية البريطانية لتقدم العلوم.
لم يهتم تومسون بالعلم فقط؛ بل كانت اهتماماته خارج النطاق العلمي كثيرة، فكان محباً للدراما، والرياضة، وكان من أشد المعجبين بفريق كامبريدج للكركيت، كذلك كان محباً لرؤية النباتات، فكان يتمشى في المناطق الريفية لمسافات طويلة. [6]
