الکترون چیست؟ سرعت و چگالی الکترون چقدر است؟

                                                     به نام خالق هستی

الکترون چیست؟

مطالعات انجام شده درباره کوچک ترین واحد ماده یعنی اتم منجر به شناسایی 70 بخش از آن شده است است که البته در بین آن ها الکترون، پروتون و نوترون مهمترین اجزاء آن شناخته می شوند.

به طور کلی و به زبان ساده می توان گفت که الکترون جزء بار منفی یک اتم است که خارج از هسته اتم در گردش است. هر الکترون حامل یک بار منفی بوده و در مقایسه با یک نوترون و یک پروتون جرم بسیار کمی دارد. 

از ویژگی های الکترون ها می توان به این اشاره کرد که الکترون ها هم ویژگی های ذره ای و هم موجی را دارند به این معنا که هم می توانند با دیگر ذرات برخورد کنند و هم مانند نور دچار پراش الکترون  شوند. (در فیزیک به پخش شدن یا خم شدن موج هنگام مواجه شدن با یک مانع، پراش گفته می‌ شود. ) لازم به توضیح است که مشاهده ویژگی های موجی الکترون بسیار آسان تر از ویژگی های موجی نوترون و پروتون است چرا که جرم الکترون کمتر از پروتون و نوترون بوده و در نتیجه طول موج دوبروی آن (دوگانگی موج و ذره برای ماده) برای انرژی های معمول بالاتر است.

الکترون‌ها در بسیاری از پدیده های فیزیکی مانند الکتریسیته، مغناطیس و رسانش گرما، نقشی اساسی را ایفا می ‌کنند و می توان گفت در بر همکنش های گرانشی، الکترومغناطیسی و هسته ای ضعیف نیز شرکت دارند. الکترون قادر به تولید و ایجاد یک میدان الکتریکی و مغناطیسی در اطراف خود است و در عین حال میدان مغناطیسی خارجی نیز باعث انحراف مسیر حرکت آن می شود. زمانی که یک الکترون در لحظه حرکت شتاب می گیرد، انرژی را به شکل فوتون جذب می کند.

قابل توجه است که در آزمایشگاه با وسایل آزمایشگاهی و استفاده از میدان های الکترومغناطیسی می توان الکترون های تک و پلاسمای الکترون را مشاهده کرد. علاوه بر آن تلسکوپ هایی وجود دارند که با به کار گیری آنها می توان پلاسمای الکترون را در فضا آشکار ساخت.

در مدل استاندارد فیزیک ذرات، الکترون ها متعلق به گروهی از ذرات زیر اتمی به نام لپتون ها هستند که ذرات بنیادی یا اولیه در نظر گرفته می شودند. الکترون‌ها دارای کمترین مقدار جرم در میان لپتون‌ های باردار و یا هر نوع ذره دارای بار الکتریکی هستند و به اولین نسل ذرات بنیادی تعلق دارند. از دیگر نکات قابل توجه می توان به این اشاره کرد که تبادل و یا به اشتراک گذاری الکترون میان دو یا چند اتم، باعث ایجاد پیوندهای شیمیایی می شود. 

تاریخچه مطالعات و کشف الکترون

برای نخستین بار در سال 1838 میلادی ریچارد لامینگ، فرضیه ای را برای مفهوم یک مقدار تجزیه ناپذیر بار الکتریکی در ویژگی های شیمیایی اتم ها ارائه کرد. در واقع در این فرضیه آمده است که اتم متشکل از یک هسته مادی بوده که توسط ذرات زیر اتمی با بار الکتریکی واحد در بر گرفته شده‌ است.

در سال 1870 میلادی اولین تیوپ اشعه کاتدی توسط ویلیام کروکز، فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی ساخته شد که این مساله باعث ایجاد تئوری وجود ذراتی با بار منفی در اشعه کاتدی شد. آرتور شوستر فیزیکدان انگلیسی به تحقیق و بررسی کشف کروکز پرداخت و تقریبا مطمئن شد که این اشعه باید حاوی بارهایی منفی باشد. در سال 1891 میلادی جرج استونی، فیزیکدان ایرلندی، در ابتدا نام این بار الکتریکی را الکترولیون گذاشت اما پس از ده سال نام آن را تغییر داده و واژه الکترون برای آن انتخاب کرد. او معتقد بود که این بارها به طور دائمی به اتم‌ ها متصل هستند و نمی‌ توان آنها را از اتم جدا کرد.  

در نهایت در سال 1896 میلادی تامسون فیزیکدان انگلیسی با همکاری تاونزند و ویلسون دست به آزمایش های بسیاری زدند تا وجود الکترون ها را ثابت کنند.

 تامسون و همکارانش روی پرتو کاتدی، آزمایش هایی انجام دادند تا به این نتیجه رسیدند که پرتو فروزان کاتد موج نیست بلکه مانند اتم‎ ها و مولکول ‎ها ذره است. آنها در آزمایش های خود به محاسبه مقدار تقریبی نسبت بار الکترون و جرم نسبی آن پرداختند. لازم به ذکر است که با این حال آنها نتوانستند به طور مستقل مقدار بار و جرم الکترون را محاسبه کنند. تامسون به دلیل همکاری در کشف ارزشمند الکترون و انجام تحقیقاتی در رابطه با آن، موفق به دریافت جایزه نوبل سال 1896 میلادی شد.

در سال 1909 میلادی رابرت میلیکان توانست بار و جرم الکترون را به طور مستقل از یکدیگر محاسبه کند. میلیکان در آزمایشی مشهور به "قطره روغن میلیکان" مقدار دقیق بار الکترون را تعیین کرد و نتایج آن را در سال 1911 میلادی منتشر نمود. او در این آزمایش از یک میدان الکتریکی استفاده کرد تا از سقوط قطره های کوچک روغن بر اثر گرانش جلوگیری کند. در این آزمایش او توانست بار الکتریکی تعداد کمی همچون 1 - 150 یون را با خطای کمتر از 0.3 % اندازه بگیرد.

جرم الکترون

همانطور که می دانیم:

جرم الکترون = ^28-10 * 9.09

جرم پروتون = ^24-10 * 1.6725

جرم نوترون = ^24-10 * 1.67495

بار الکترون - است و پروتون + و نوترون نیز خنثی است.

همانطور که همیشه گفته شده، هسته ی یک اتم مجموعه ی پروتون ها و نوترون هاست.

حال نوترون ها که هیچ، ولی پروتون ها که با بار هم سان یکدیگر را دفع می کنند چطور می توانند در آن فضای کوچک هسته جمع شوند من می گویم که نوترون چیزی به جز الکترون و پروتون نیست و اساسا هر گاه الکترون و پروتون گرد هم آیند چیزی به نام نوترون ساخته میشود. یعنی یک بار منفی و یک مثبت، بار خنثی می دهند. گرچه این توضیح منطقی به نظر می رسد ولی مجموع جرم یک پروتون و یک الکترون  ^24-10 * 1.673409 است که با جرم یک نوترون(^24-10 * 1.67495) متفاوت است. برای اینکه مجموع جرم پروتون و الکترون با یک نوترون برابر شود باید یک پروتون را با 2.695269527 الکترون (2.7 به طور تقریبی) جمع کرد، در حالی که تصور تعداد اعشاری از الکترون غیر ممکن است.

حال برای توجیح این وضعیت می توان فرض کرد که هر دو الکترون که کنار هم قرار می گیرند و با هم درگیر می شوند اجبارا بارشان مثبت می شود. یعنی مثل همان ریاضیات که منفی در منفی می شود مثبت، در اینجا نیز هر دو الکترونی که با هم درگیر می شوند (و نیرویی آن ها را به زور بر ضد نیروی دافعه بین آن ها با هم درگیر می کند) اجبارا بار مثبت تولید می کند. و اساسا می توان تصور کرد که پروتونی وجود ندارد، و پروتون مجموعی از تعداد زوج الکترون است. با محاسبه (جرم پروتون را به جرم الکترون تقسیم کنیم) در می یابیم که با این فرض هر پروتون باید از 1839.933993 الکترون تشکیل شده باشد، که من این عدد را 1840 فرض می کنم و اعشار عدد اصلی را ناشی از خطای محاسبه ی جرم الکترون و پروتون می دانم.

مسئله ای که ممکن است فکر شما را مشغول کرده باشد ممکن است این باشد که چرا این مقدار الکترون همیشه کنار هم قرار می گیرند و یک پروتون را تشکیل می دهند، چرا پروتون هایی با جرم کمتر و تعداد الکترون تشکیل دهنده ی کمتر(ولی زوج) نداریم. به نظر من شاید دلیلش پایداری شکل هندسی مربوطه با این تعداد از الکترون (فقط و فقط) است و یک حالت دیگر نیز وجود دارد که آن نیز نوترون است. یعنی تنها در این دو حالت (ژروتون و نوترون) الکترون ها شکلی پایدار به خود می گیرند.

n - p) / e = 2.695269527)
اختلاف جرم نوترون و پروتون تقسیم بر جرم الکترون

در رابطه با این عدد چه؟ به نظر من، اگر تعداد زوج از الکترون ها در تشکیل یک نوترون نقش می داشت، دیگر آن نوترون باری مثبت میداشت و اگر تعداد فرد نقش می داشت نوترون باری منفی می داشت. پس لازم بود که تعدادی بین زوج و فرد باشد، یعنی x.5 (ایکس ممیز نیم). که عددی که ما بدست آوردیم x.69 تا حدودی با این متفاوت است. پس ایراد کجاست؟ حتی اگر جرم نوترون را نیز به جرم الکترون تقسیم کنیم، حاصل می شود 1842.629263 

که با x.5 . حالات مختلف در توجیح این بحث متفاوت است.

 x.5  با  x.62 خیلی تفاوت ندارد و می توان آن را ناشی از خطا دانست الکترون در حرکت جرمش با الکترون در سکون متفاوت است، پس این جرم از الکترون که شما با آن محاسبه می کنید، نادرست است

 شکل قرار گیری الکترون ها در کنار هم (در تشکیل یک پروتون و یا نوترون) روی بار تاثیر می گذارد وحال چون بار را عددی صحیح فرض کرده اید پس جرم ها اعشاری بدست می آید.

حرکت زاویه ای و مداری الکترون

 

 

همانطور که می‌دانیم انرژی موج الکترومغناطیس از رابطه معروف پلانک یعنی E=hv بدست می‌آید . یعنی انرژی موج برابر است با فرکانس موج ضربدر ثابت پلانک که کمترین مقدار ( کوانتای ) انرژی است و مربوط به یک سیکل یا تواتر موج است . به مطالب زیر دقت کنید :

 

 

خویشاوندی دایره و موج سینوسی

 

 

توضیحات :

در سمت راست تصویر فوق ، دایره مثلثاتی را به 12 قسمت مساوی و هر کدام 30 درجه یا π/6 تقسیم کرده‌ایم . در سمت چپ تصویر فوق ، دستگاه مختصاتی رسم شده است که محور افقی آن به طول 2πr یعنی محیط دایره و محور عمودی آن ، محور سینوسها میباشد . طول افقی به 12 قسمت مساوی تقسیم شده که هر قسمت نشانگر طول کمان 30 درجه است . محور عمودی با خطوط قرمز از مبدا سینوسهای 30 و 30- ، 60 و 60- ، 90 و 90- مدرج شده  و منحنی موج سینوسی نقطه‌یابی و رسم شده است .  این رابطه مابین دایره و موج سینوسی به دفعات در فیزیک مشاهده شده است و در ریاضیات نیز توجیه پذیر است به طور مثال با دوران ( سرعت زاویه‌ای ثابت ) رتور در میدان مغناطیسی داخل یک دینام ، جریانی با ولتاژ متناوب و به صورت سینوسی پدیدار و تولید میشود . همانطور که میدانیم در مکانیک کوانتومی انرژی فوتون نیز از رابطه معروف پلانک بدست می‌آید :

 

E=hν

 

در واقع انرژی هر تواتر ( سیکل ) موج الکترومغناطیس برابر  h  میباشد . به طور خلاصه انرژی یک سیکل طیف قرمز برابر انرژی یک سیکل طیف بنفش است و این مقدار مستقل از انرژی کلی موج در واحد زمان تعریف شده است و مقدار آن به ثابت پلانک معروف است . اینک اگر این انرژی ( یک کوانتوم انرژی ) را بر محیط یک دایره به شعاع واحد یک ( مدار فرضی الکترون ) تقسیم کنیم خواهیم داشت :

 

ћ=h/2π

 

که این مقدار جدید ћ  در مکانیک کوانتومی کاربرد دارد و معنی آن توزیع انرژی یک سیکل موج بر روی مدار الکترون پیرامون هسته است زیرا الکترون برانگیخته با یک دور کامل چرخش به دور هسته یک سیکل موج الکترومغناطیس تولید و منتشر می‌کند .

 

اینک ما سرعت خطی الکترون برانگیخته مربوط به مدار طیف بنفش مریی با فرکانس 14^10*8 و همچنین شعاع مدار استاندارد آن را محاسبه می‌کنیم :

 

طبق تعریف موج الکترومغناطیس زمانی تولید و منتشر میشود که الکترون مدار برانگیخته نوسان کند یعنی مابین دو تراز تغییر مکان دهد . پس فعلا میتوان چنین فرض کنیم که انرژی کل موج مربوط به انرژی جنبشی الکترون روی مدار است یعنی :

 

 

که در این محاسبات Ep انرژی فوتون یا موج الکترومغناطیس ، h ثابت پلانک ، f فرکانس موج ، Ee انرژی جنبشی الکترون ، m0 جرم سکون الکترون ، v سرعت خطی الکترون روی مدار ، D محیط مدار استاندارد الکترون و r شعاع آن مدار میباشد . ولی لازم است به دو نکته اشاره کرد :

1- با افزایش عدد اتمی ( تعداد پروتونهای هسته ) بر تعداد الکترونهای پیرامون هسته افزوده شده و این الکترونها نسبت به هم نیرو وارد کرده و تغییراتی در شعاع مدارها بوجود می‌آید .

2- با یونیزه شدن اتم اگر اتم الکترون از دست بدهد شعاع مدارها کم شده ولی اگر اتم ، الکترون دریافت کند شعاع مدارها افزایش می‌یابد .

پس در اتمها شعاع مدارها زیاد اهمیت ندارد بلکه آنچه مهم است سرعت زاویه‌ای چرخش الکترونها به دور هسته است که نوسان آنها میتواند امواج الکترومغناطیسی تولید و منتشر کند .

 

 

حرکت مداری الکترون :

 

حرکت مداری الکترون را میتوانیم همان سرعت زاویه‌ای الکترون به دور هسته تعریف کنیم که درست معادل فرکانس ( تواتر یا بسامد ) موج الکترومغناطیس نشری از مدار یا تراز ( لایه و یا زیر لایه اتم ) است .  به طور مثال حرکت مداری الکترون یا سرعت زاویه‌ای آن مربوط به تراز طیف بنفش مریی با فرکانس  14^10*8 درست معادل  14^10*8 رادیان بر ثانیه است . و این چرخش مداری در دید ما هم میتواند ساعت گرد باشد و هم پا ساعت گرد و میتواند به سطح و یا حجم یک کره گسترش یابد و شکل هندسی کروی به اتم منفرد بدهد .

 

اینک سرعت خطی الکترون روی مدار یا تراز انرژی طیف ماورای بنفش غیر مریی با فرکانس 17^10 هرتز را محاسبه می‌کنیم :

 

 

 

اینک این سوال مطرح میشود که آیا ممکن است سرعت الکترون در مدار ماکزیمم یعنی به اندازه سرعت نور شود ؟

چنین حالتی را میتوان در زمانی تصور کرد که مثلا الکترون مدار هیدروژن به روی هسته پروتون سقوط کرده و در روی مداری فوق‌العاده نزدیک به پروتون بچرخد و ذره سوم دیگری به نام نوترون را بوجود آورند . در این سقوط الکترون به طرف هسته پروتون ، انرژی زیادی به صورت امواج و تابشهای الکترومغناطیس منتشر میشود . نوترون از لحاظ بار الکتریکی همانند اتم هیدروژن خنثی به نظر میرسد و این ممکن نخواهد بود مگر اینکه الکترون حول پروتون چرخش داشته باشد که اگر اینگونه نباشد نتیجه ادغام این دو ذره میبایست ذره‌ای با دو قطب الکتریکی غیر هم نام همانند شکل زیر تشکیل شود که چنین نیست .

 

 

اینک حرکت مداری یا سرعت زاویه‌ای الکترون فرضی با سرعت نزدیک به سرعت نور و همچنین شعاع این مدار فرضی را محاسبه می‌کنیم .

 

 

که این فرکانس در محدوده بسامد امواج الکترومغناطیس طولی یا همان امواج گرانشی است .

 

 

که میتوان قطر این نوترون فرضی را نیز بدست آورد که برای اولین بار به صورت تئوری محاسبه میشود . اما نکته مهم اینکه در زمان تصادم نوترونها با یکدیگر حتی با ذرات و موانع دیگر این الکترون در مدار فرضی به نوسان در آمده و امواج گرانشی منتشر میشود که توان آنها خیلی کم بوده و فعلا قابل شناسایی نیستند ولی اگر اجرام نوترونی سنگین مثل ستارگان نوترونی و یا سیاه چاله ها با هم تصادم داشته باشند یا اجرام سنگین مثل سیارات و ستارگان در کام آنها فرو رود امواج گرانشی پرتوانی توسط آنها تولید و منتشر خواهد شد که گذر آنها از منظومه شمسی میتواند باعث تغییر فاصله مابین زمین و ماه شده و حتی تغییراتی در حجم کروی ماه و زمین ایجاد کند .

 

 

اندازه حرکت زاویه‌ای مداری الکترون :

 

اصل موضوع بوهر

 

• الکترونها مقید هستند در مدارهایی حرکت کنند که در آنها اندازه حرکت زاویه‌ای الکترونها مضرب درستی از ħ=frach2π باشد . به عبارت دیگر ، در مورد مدارهای دایره‌ای شکل با شعاع r ، سرعت الکترون (v) باید از رابطه mvr=nħ تبعیت کند . لازم به ذکر است که الکترونها در این مدارها با وجود سرعتی که دارند ، تابش نمی‌کنند . بنابراین مسیرهای حرکت الکترونها را در این مدل ، مدارهای ایستا می‌گویند .
  
   
• الکترونها می‌توانند گذرهای گسسته‌ای از یک مدار مجاز به مدار مجاز دیگر انجام دهند . تغییر انرژی این دو تراز به صورت تابشی که فرکانس آن وابسته به تفاضل انرژی این دو تراز است ، ظاهر می‌شود . اگر اتم ، تابش جذب کند ، باز الکترونها بر اثر این تابش به یک تراز انرژی بالاتر می‌روند .

 

 

مشکل اول این نظریه رابطه mvr=nħ است . برای اینکه mvr مولفه اندازه حرکت ( تکانه ) زاویه‌ای و واحد آن Kg m^2/s ولی nħ مولفه انرژی و واحد آن J/s است که شاید این دو مولفه با هم متناسب باشند ولی با این شرایط هم ارز نخواهند بود ،  زیرا همواره رابطه E=Pv/2 مابین انرژی جنبشی ذره ، تکانه و سرعت ذره بر قرار است که از رابطه E=1/2mv^2 حاصل میشود .

و از طرفی اگر سیستم متشکل از زمین و خورشید را در نظر بگیریم ، نیروی جانب مرکز ( گریز از مرکز ) دوران زمین به دور خورشید ، معادل نیروی گرانش وارد بر زمین از طرف خورشید است . با فرض اینکه این سیستم منزوی است ( از سایر سیارات صرف نظر می‌کنیم ) لذا اندازه حرکت زاویه‌ای زمین L به دور خورشید نیز ثابت است . بنابراین با توجه به رابطه L=mvr با کاهش فاصله ، سرعت افزایش می‌یابد ( L اندازه حرکت زاویه‌ای زمین ، m جرم زمین ، r فاصله مرکز زمین تا مرکز خورشید و v سرعت حرکت یا همان سرعت خطی سیاره زمین است ) . در واقع زمین به دور مرکز خورشید نمی‌گردد ، بلکه به دور مرکز جرم سیستم ( زمین و خورشید ) می گردد . با تغییر موقعیت زمین نسبت به خورشید ، مرکز جرم [مشترک] نیز تغییر می کند و چنین به نظر می‌رسد که مدار حرکت بیضی است و خورشید نیز در یکی از کانون‌های آن قرار دارد . در واقع اندازه حرکت زاویه ای در مکانیک سیارات کاربرد دارد و ما نمیتوانیم به جای خورشید ، هسته اتم و به جای نیروی گرانش ، نیروی کولونی و به جای زمین ، الکترون و نیروی جانب مرکز آن را در نظر بگیریم برای اینکه سرعت زاویه ای ( اسپین )  هسته خیلی زیاد است و خطوط میدان الکتریکی دوران یافته و الکترونها در این میادین دایره‌ای شکل و بسته حرکت دارند یعنی شکل زیر :

 

 

ولی همانطور که توضیح داد شد با یک دور چرخش کامل الکترون برانگیخته به دور هسته ، یک کوانتای ثابت پلاک انرژی تولید و منتشر میشود . پس میتوان به راحتی نتیجه گرفت که :

 

E=hω

 

یعنی انرژی موج الکترومغناطیس (E)  برابر است با ثابت پلانک (h) ضربدر سرعت زاویه‌ای مداری الکترون برانگیخته (ω) . یعنی ما در فیزیک هیچ انرژی کمتر از انرژی حاصل از چرخش یک الکترون برانگیخته به دور هسته نداریم که مفهوم واقعی و کلی فیزیک کوانتومی را میرساند . این رابطه نشان می‌دهد که انرژی کلی موج یا فوتون به سرعت زاویه‌ای مداری الکترون برانگیخته وابسته است و نه به پارامترهای دیگر .

با توجه به اینکه واحد ω رادیان بر ثانیه یا 2π بر ثانیه است ، ثابت پلانک را میبایست تقسیم بر 2π کنیم تا به همان مقدار قبلی رابطه برسیم یعنی ћ=h/2π  پس معادله کلی این خواهد شد :

E=h/2π*ω

E=ћω

 

همانطور که مشخص است الکترون برانگیخته در روی مدار مربوط به طیف بنفش دو چرخش کامل ولی الکترون برانگیخته روی مدار قرمز یک چرخش کامل در واحد زمان انجام داده است ولی همانطور که میدانیم انرژی طیف بنفش دو برابر طیف قرمز است برای اینکه در واحد زمان مشخص ، تراز یا مدار بنفش دو سیکل ولی مدار قرمز یک سیکل تولید و منتشر نموده است ولی هر دو طیف مسافت‌های مساوی را در واحد زمان طی کرده‌اند یعنی همان سرعت ثابت نور . البته ذکر این نکته ضروری است که طول موج امواج الکترومغناطیس بیشتر از قطر اتمها میباشد و شکل فوق صرفا جهت روشن شدن موضوع ارایه شده است .

 

تعریف : موج الکترومغناطیس تولید شده توسط یک لایه یا یک زیر لایه از یک اتم ( تراز انرژی ) ، فقط قابل جذب توسط همان لایه یا زیر لایه از اتم دیگر است . به بیان دیگر موج الکترومغناطیس تولید شده توسط یک لایه یا یک زیر لایه از یک اتم ، فقط در همان لایه یا زیر لایه از اتم دیگر القا یا شارژ میشود .

منابع:

ویکی پدیا

وبسایت اندیشه های نوین در فیزیک

powergodm.blog.ir