اکتشافات الکترون

[Jack Daniel'ѕ]

یک فیزیکدان آلمانی به نام جان ویلهلم هیتورف عهده دار مطالعهٔ رسانایی الکتریکی در گازهای رقیق بود. در سال ۱۸۶۹ او یک تابش را که از کاتد ساطع می‌شد کشف کرد، که اندازهٔ این تابش با کاهش فشار گاز افزایش می‌یافت. در سال ۱۸۷۶ یک دانشمند آلمانی به نام یوگن گلدشتاین نشان داد که پرتوهای این تابش می‌توانند سایه تولید کنند، و او این اشعه‌ها را اشعه‌های کاتدی نامید.[۲۶] در طول دههٔ ۱۸۷۰، یک شیمیدان و فیزیکدان انگلیسی به نام سر ویلیام کروکس، اولین لولهٔ پرتو کاتدی را به یک محفظه با خلأ بالا تبدیل کرد.[۲۷] او سپس نشان داد که پرتوهای لومینسانس در داخل لوله ظاهر شده، حامل انرژی هستند و از کاتد به طرف آند حرکت می‌کنند. علاوه بر این، او قادر بود تا با اعمال یک میدان مغناطیسی پرتوها را منحرف کند و بدین وسیله او توانست نشان دهد که این پرتو همانند اینکه بار منفی داشته باشد رفتار می‌کند.[۲۸][۲۹] در سال ۱۸۷۹ او پیشنهاد داد که این ویژگی‌ها را می‌توان با چیزی که او آن را مادهٔ پرتوزا نامید، توضیح داد. او پیشنهاد کرد که این ماده چهارمین حالت ماده‌است که شامل مولکولهای با بار منفی است که با سرعت بالا از کاتد تابش می‌شوند.[۳۰]

یک فیزیکدان آلمانی الأصل انگلیسی به نام آرتور شوستر به وسیلهٔ قرار دادن صفحات فلزی به موازات پرتوهای کاتدی و اعمال پتانسیل الکتریکی بین این صفحات، به گسترش آزمایش‌ها کروکس پرداخت. میدان ایجاد شده پرتوها را به طرف صفحهٔ با بار مثبت منحرف کرد، که ثابت می‌کرد این پرتوها حامل بار منفی هستند. با اندازه‌گیری مقدار این انحراف به ازای یک جریان معین، در سال ۱۸۹۰ شوستر قادر بود تا نسبت بار به جرم اجزای این پرتو را تخمین بزند. از آنجا که این نسبت بیش از هزار بار بزرگتر از آنچه انتظار داشتند بود، عدهٔ کمی به آن توجه کردند.[۲۸][۳۱]

در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان انگلیسی به نام ج. ج تامسون با همکارانش به نام‌های جان تاونسند و ویلسون،[۳۲] آزمایش‌هایی را انجام دادند که نشان می‌داد پرتوهای کاتدی که قبلاً تصور می‌شد از موج‌ها، اتم‌ها یا مولکول‌ها ساخته شده‌اند، واقعاً ذرات یکتایی هستند.[۳۳] تامسون تخمین‌های خوبی از بار e و جرم m زد که نشان می‌داد ذرات پرتو کاتدی، که او آن‌ها را «کورپوسکل» می‌نامید، احتمالاً دارای جرمی معادل یک هزارم جرم سبک ترین یون شناخته شده یعنی هیدروژن هستند.[۳۳][۳۴] او نشان داد که نسبت بار به جرم آنها یعنی e/m به جنس کاتد بستگی ندارد. او بعداً نشان داد که ذرات با بار منفی تولید شده به وسیلهٔ مواد رادیواکتیو، مواد پرحرارت و مواد تحت تابش نورانی، یکسان هستند.[۳۳][۳۵] نام الکترون دوباره برای این ذرات توسط یک فیزیکدان ایرلندی به نام جورج فیتزگراد پیشنهاد داده شد و این نام تاکنون مورد پذیرش جهانی است.[۲۸]

هنگام مطالعهٔ مواد معدنی دارای خاصیت فلوئورسانس در سال ۱۸۹۶ یک فیزیکدان فرانسوی به نام هانری بکرل کشف کرد که این مواد بدون قرار گرفتن در معرض یک منبع انرژی خارجی، پرتو تابش می‌کنند. این مواد رادیو اکتیو تبدیل به موضوع مورد علاقه دانشمندان از جمله فیزیکدان نیوزلندی به نام ارنست رادرفورد شدند که کشف کرد این مواد تابش کنندهٔ ذرات هستند. او این ذرات را بر اساس توانایی نفوذشان در مواد، آلفا و بتا نامید.[۳۶] در سال ۱۹۰۰ بکرل نشان داد که پرتوهای بتای تولید شده به وسیلهٔ رادیوم توسط میدان الکتریکی منحرف می‌شوند و نسبت جرم به بار آنها با پرتوهای کاتدی یکسان است.[۳۷] این مشاهده، دیدگاه وجود الکترون‌ها به عنوان جزئی از اتم‌ها را تقویت کرد.[۳۸][۳۹]

در سال ۱۹۰۹ بار الکترون با دقت بیشتری توسط یک دانشمند امریکایی به نام رابرت میلیکان و بوسیله آزمایش قطره روغن او اندازه‌گیری شد و او نتایج این آزمایش را در سال ۱۹۱۱ منتشر کرد. در این آزمایش از یک میدان الکتریکی استفاده شده بود تا از سقوط قطره‌های کوچک روغن بر اثر جاذبه جلوگیری کند. این وسیله می‌توانست بار الکتریکی را برای تعداد کمی هم چون ۱-۱۵۰ یون را با خطای کمتر از٪ ۳/۰ اندازه بگیرد. پیش از این آزمایش‌های قابل مقایسه‌ای توسط گروه تامسون انجام شده بود ،[۳۳] که در آن‌ها از بخار قطرات ریز آب باردار که به وسیله برقکافت تولید شده بودند استفاده شده بود،[۳۲] و در سال ۱۹۱۱ آبرام ایوفی به طور جداگانه به همان نتیجهٔ میلیکان با استفاده از میکروذرات فلزات دست یافت، و نتایج آن را در سال ۱۹۱۳ منتشر کرد.[۴۰] هر چند که قطره‌های روغن به دلیل سرعت تبخیر کمتر، از قطره‌های آب پایدار تر و در نتیجه برای آزمایش دقیق در زمان‌های طولانی مناسب تر بودند.[۴۱]

در اوایل قرن بیستم مشخص شد که در شرایط خاصی یک ذرهٔ باردار متحرک با سرعت بالا باعث میعان بخار آب فراسیرشده در مسیر خود می‌شود. در سال ۱۹۱۱ چارلز ویلسون از این ویژگی استفاده کرد تا اتاقک ابر خود را طراحی کند که اجازه می‌داد از مسیر ذرات باردار نظیر الکترون‌های با سرعت بالا عکس برداری شود