تجربة ثومسون لتعيين النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلتھ

تجربة ثومسون لتعيين النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلتھ
العالم ثومسون عالم كيميائي بريطاني عمل ككيميائي وفيزيائي في جامعة كامبردج وكان لھ دور كبير في الكشف
عن الكثير من الحقائق المتعلقة بالذرة ومكوناتھ في الوقت الذي لم يكن يعرف عن الذرة سوى الكم الضئيل من
المعلومات وقد وضع في نھاية مشواره العلمي نموذج للذرة عرف باسمھ نموذج ثومسون وكان ھذا أول نموذج
تصوري للذرة ومحتوياتھا.
ركز ثومسون على دراسة العلاقة بين الكھرباء والمادة وذلك عن طريق مليء أنبوبة زجاجية بغاز عند ضغط
منخفض (مثل غاز الزئبق أو النيون أو الزينون) وطبق فرق جھد كھربائي كبير على طرفي الأنبوبة الزجاجية.
يمر التيار الكھربي بين طرفي (الكاثود والانود) الأنبوبة الزجاجية عبر الغاز وسمى ھذا التيار بتيار الكاثود .
أجرى ثومسون العديد من التجارب والتي حصل منھا على النتائج التالية:
مخطط يوضح أنبوبة ثومسون التي استخدمھا لدراسة تأثير الكھرباء على المواد
2
1) إن وجود مجال كھربي او مغناطيسي يحيط بأنبوبة الكاثود يؤدي إلى انحراف أشعة الكاثود. )
2) بتطبيق مجال كھربي فقط او بتطبيق مجال مغناطيسي فقط أو بتطبيق المجالين معا فانھ تمكن من قياس )
النسبة بين الشحنة الكھربائية الحاملة لتيار المھبط وكتلتھا (لم يكن الإلكترون معروفا في ذلك الوقت)
3) اكتشف أيضا إن النسبة بين الشحنة إلى الكتلة لتيار الكاثود لا تتغير بتغير الغاز المستخدم أو بتغير مادة )
الكاثود.
استنتاجات
1) استنتج أيضا إن أشعة الكاثود مكونة من جسيمات دقيقة جدا مشحونة بشحنات سالبة أطلق عليھا )
الالكترونات.
2) استنتج أيضا إن ھذه الالكترونات تأتي من الذرات المكونة لغاز داخل الأنبوبة او من المادة المعدنية للكاثود )
أو الانود.
3) استنتج من خلال ثبات النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلتھ في أكثر من مادة إنھا المكون الرئيسي لذرات )
أي مادة.
4) وبسبب أن النسبة بين شحنة الإلكترون إلى كتلتھ كبيرة جدا استنتج أن الالكترونات صغيرة جداً. )
مبادئ وأساسيات
الشحنة والمجال الكھربي
نعلم إن المجال الكھربي يؤثر على الشحنة الكھربية بقوة كھربية تعطى بالعلاقة
Fe = q E
المجال الكھربائي E الشحنة الكھربائية و q ھي القوة الكھربائية و Fe حيث
وعليھ إذا وضعت شحنة كھربائية في مجال كھربائي فإنھا سوف تتحرك في اتجاه المجال إذا كانت شحنتھا موجبة
وتتحرك في عكس اتجاه المجال إذا كانت شحنتھا سالبة.
3
الشحنة والمجال المغناطيسي
نعلم إن المجال المغناطيسي يؤثر على الشحنة الكھربائية بقوة مغناطيسية اذا كانت الشحنة تتحرك بسرعة في
المجال الكھربائي. وتعطى القوة المغناطيسية بالعلاقة
Fm = q v B
المجال المغناطيسي. B سرعة الشحنة و v الشحنة الكھربائية و q القوة المغناطيسية و Fm حيث
وعليھ إذا أطلقت حزمة من الشحنات في اتجاه مجال مغناطيسي فانھ سوف تتحرك في مسار دائري ويمكن تحديد
اتجاه القوة المؤثرة على حركة الشحنة باستخدام قاعدة اليد اليمنى وتكون حركة الشحنات السالبة عكس حركة
الشحنات الموجبة في المجال المغناطيسي
إذا توفر وسط فيھ مجال كھربي ومجال مغناطيسي وأطلقت في اتجاھھ حزمة من الشحنات فان القوة المؤثرة على
الشحنات في ھذه الحالة ھي محصلة القوة الكھربائية والقوة المغناطيسية وتعرف ھذه القوة باسم قوة لورنتز
Lorentz Force.
F = q E + q v x B Lorentz Force
التجربة
يوضح الشكل التالي الجھاز الذي استخدمھ طومسون لتجربة تعين النسبة بين شحنة الإلكترون وكتلتھ وھي
عبارة عن أنبوبة أشعة المھبط مفرغة من الھواء وفيھا على اليسار فتيلة حرارية تسخن عندما يمر فيھا التيار
الكھربي فتنبعث منھا الالكترونات التي يتم تسريعھا بواسطة فرق جھد لنحصل على حزمة مركزة من الالكترونات
تنطلق بسرعة إلى الجزء الأيمن من الأنبوبة.
تدخل الالكترونات بعد ذلك في منطقة فيھا مجال كھربي ومجال مغناطيسي ويكون اتجاه المجال الكھربي عمودي
على اتجاه المجال المغناطيسي حتى تكون القوة الكھربائية مؤثرة على الالكترونات للأسفل بينما تكون القوة
المغناطيسية مؤثرة على الالكترونات للأعلى.
عندما لا يكون ھناك مجال كھربي أو مجال مغناطيسي فان الالكترونات تنطلق في مسار مستقيم وتصطدم في
نھاية أنبوبة الكاثود على لوحة عليھا مادة فلوريسنت (مثل شاشة التلفاز) تتوھج عندما تصطدم بھا الالكترونات
فتعطي في ھذه الحالة بقعة مضيئة في وسط اللوحة.
4
صورة لتجربة ثومسون التي تتوفر في الكثير من مختبرات الفيزياء في الجامعات وفيھا أنبوبة الكاثود وحولھ
ملفات ھولمھولتز المستخدمة لتوليد مجال مغناطيسي منتظم يتم التحكم في اتجاھھ من خلال اتجاه التيار المار في
الملفات، كما نلاحظ أيضا لوحي المجال الكھربي في داخل الأنبوبة والأجھزة الخارجية ھي مصدر الطاقة
الكھربائية وأجھزة قياس.
عندما نقوم بتعريض الالكترونات إلى المجال المغناطيسي من خلال ملفات ھولمھولتز (عبارة عن ملفين
متوازيين يمر فيھما التيار الكھربائي بحيث يكون المجال المغناطيسي منتظم في مركز الملفين) فتنحرف حزمة
الالكترونات للأعلى نتيجة للقوة المغناطيسية ونلاحظ ذلك على البقعة المضيئة على لوحة الفلوريسنت ويمكن
التحكم في انحراف الالكترونات بزيادة المجال المغناطيسي عن طريق زيادة التيار الكھربائي المار فيھ.
بقياس دقيق لقيمة الشحنة الكھربائية Robert Milikan فيما بعد تقدم الفيزيائي الأمريكي روبرت مليكان
للإلكترون. حيث يعد قياس شحنة الإلكترون من أھم التطبيقات على المجال الكھربائي المنتظم بين لوحين
متوازيين . وأول من قاس شحنة الإلكترون بھذه الطريقة ھو الفيزيائي الأمريكي روبرت مليكان عام 1909 م .