الالكترون

الإلكترون (بالإنجليزية: Electron) (رمزه: ^-e) أو الكُهَيرِب^[8] هو جسيم دون ذري كروي الشكل تقريباً مكون للذرة ويحمل شحنة كهربائية سالبة. ولم يكن من المعروف بأن لديها مكونات أو جسيمات أصغر، لذا فقد اعتبرت بأنها جسيمات أولية^[2]. فالإلكترون لديه كتلة تعادل تقريبا 1/1836 من كتلة البروتون^[9]. الزخم الزاوي الحقيقي (وهو اللف المغزلي) للإلكترون هو قيمة نصف عدد صحيح من وحدة ħ، مما يعني بأنه فرميون. ويسمى الجسيم المضاد للإلكترون بالبوزيترون، وهو مطابق للإلكترون عدا أنه معاكس له بالشحنة الكهربائية والشحنات الأخرى. عند اصطدام الإلكترون بالبوزترون فإنهما إما يبعثران بعضهما البعض أو أن يفنيان، مما ينتج عن ذلك زوج أو أكثر من فوتونات أشعة جاما. تنتمي الإلكترونات إلى الجيل الأول لأسرة جسيمات ليبتون^[10]، وتسهم في القوى الأساسية وهي الجاذبية والكهرومغناطيسية والقوة النووية الضعيفة^[11]. كما هو في المادة فإن الإلكترون لديه خصائص ازدواجية موجة-جسيم في ميكانيكا الكم، لذا فبإمكانه الاصطدام مع الجسيمات الأخرى فينحرف مثل الضوء. لكن وبسبب صغر كتلة الإلكترون فإن تلك الازدواجية تتجلى بشكل أفضل في التجارب المخبرية. وبما أنها تندرج تحت عائلة الفرميون، وبحسب مبدأ استبعاد باولي فلا يمكن لإلكترونين أن يأخذا نفس حالة الكم^[10].

تم وضع نظرية مفهوم مقدار الشحنة الإلكترونية غير القابلة للتجزئة لشرح الخصائص الكيميائية للذرات، فكانت بدايتها سنة 1838 مع عالم الطبيعة البريطاني ريتشارد لامنج^[4]؛ ثم قدم الفيزيائي الإيرلندي جورج ستوني اسم الكترون وذلك سنة 1894. في سنة 1897 عرّف البريطانيجوزيف طومسون وفريقه الفيزيائيين الإلكترون بأنه جسيم^[6][12].

العديد من الظواهر الفيزيائية، مثل الكهرباء والمغناطيسية والتوصيل الحراري فإن الإلكترونات لها دورا أساسيا في ذلك. فالإلكترون في حركته بالنسبة للمراقب يولد المجال المغناطيسي، وكذلك فإن المجالات المغناطيسية الخارجية تجعلها تنحرف. فعندما يتحرك الإلكترون فإنه يمتص أو ينتج طاقة على شكل فوتونات. تحيط الإلكترونات بالنواة المتكونة من بروتونات ونيوترونات، فيكونون جميعا الذرة، وإن كان الإلكترون يسهم في أقل من 0.06% من الكتلة الكلية للذرة. يسبب جاذبية قوة كولومب بين الإلكترون والبروتون بأن يجعل الإلكترونات مرتبطة بالذرات. فالتبادل أو تقاسم الإلكترونات في ما بين الذرات هو السبب الرئيسي للروابط الكيميائية^[13].

فحسب النظريات فإن معظم الإلكترونات قد تكونت في لحظة الانفجار العظيم، ولكن يمكن أيضا إنتاجها خلال البلى بيتائي للنظائر المشعة والاصطدامات عالية الطاقة، وفي لحظة دخول الأشعة الكونية للغلاف الجوي. وخلال إفناءه مع البوزترون فقد يتعرض الإلكترون للدمار، وقد يتعرض للامتصاص خلال تفاعلات الانصهار النجمية. ويمكن لأدوات المختبرات احتواء ومراقبة الإلكترونات الفردية وكذلك في بلازما الإلكترونات، حيث كرس لها المقراب للكشف عن بلازما الإلكترونات في الفضاء الخارجي. وتوجد العديد من تطبيقات الإلكترون كما هو في اللحام وأنبوب الأشعة المهبطية ومعجلات الجسيمات ومجهر إلكتروني وعلاج إشعاعي والليزر الإلكتروني.

التاريخ

لاحظ الإغريق القدماء بأن الكهرمان يجذب الأشياء البسيطة في حالة فركه بالقماش فإن استثنينا البرق، فإن تلك الظاهرة تعد من أقدم تجارب البشرية مع الكهرباء على مر التاريخ^[14].

أشار الفيزيائي الإنجليزي وليام جيلبرت في مقال له اسمه دي ماجنتا De Magnete سنة 1600 إلى مصطلح جديد أصاغه من اللغة اللاتينية الجديدة وأسماه إلكتريكوس electricus للإشارة إلى خاصية جذب الأشياء الصغيرة بعد فركها^[15]. فتلك الكلمة مأخوذة من الكلمة الإغريقية ήλεκτρον ‏(ēlektron) الكترون في عام 1894 م للإشارة إلى الكهرمان.

في سنة 1737 اكتشف العالمين شارل دو فاي وهاكسبي كلا على حدة وجود نمطين من الشحنات الكهربائية السكونية؛ إحداهما ينتج من الاحتكاك مع الزجاج، والآخر من الاحتكاك مع الراتنج. ومن هذه استنتج دوفاي نظريته بأن الكهرباء تحتوي على سائلين كهربائيين (en)‏، وأسماهما بالزجاجي والراتنجي، ولاحظ الفرق بين الموصلات والمواد العازلة، ويمكن فصلهما عن طريق الاحتكاك مما يسبب بتحييد بعضها البعض عند اتحادهما^[16]. بعد ذلك بحوالي عقد من الزمان اقترح بنجامين فرانكلين بأن الكهرباء هي ليست من عدة أنواع من السوائل الكهربائية، ولكنه نفس السائل الكهربائي ولكن تحت ضغوط مختلفة. وقدم لهم الشحنة الحديثة بتسمية إيجابي وسلبي على التوالي^[17][18].

بين سنتي 1838 و 1851 طور عالم الطبيعيات البريطاني ريتشارد لامنج} فكرة أن الذرة تتكون من نواة مادة محاطة بجزيئات دون ذرية والتي تكوّن وحدة الشحنات الكهربائية^[3]. وبداية من سنة 1846 أعطى الفيزيائي الألماني فيبر نظريته القائلة بأن الكهرباء تتألف من سائلين ذو شحنتين موجبة وسالبة، وتفاعلهما يحكمه قانون التربيع العكسي. في سنة 1874 اقترح الفيزيائي الإيرلندي جورج ستوني بعد دراسة هذه ظاهرة التحليل الكهربائي بأن هناك "كمية محددة واحدة من الكهرباء" ، وهي شحنة من أيون أحادي التكافؤ. وكان قادرا على تقييم قيمة هذه الشحنة الأولية e عن طريق قوانين فرداي للتحليل الكهربائي^[19]. واعتقد ستوني بأن تلك الشحنات مرتبطة بصورة دائمة بالذرات ولا يمكن إزالتها. في سنة 1881 جادل الفيزيائي الألماني هلمهولتز أن كلا من الشحنة الموجبة والسالبة منقسمتين إلى جزئين أوليين، كل منها "يتصرف كذرات كهربائية"^[4]. ثم أنشأ ستوني مصطلح الكترون لوصف تلك الشحنات الأولية وكان ذلك سنة 1894، وقد قال فيها: "تم تقدير الكمية الفعلية لتلك الوحدة الأساسية الأكثر أهمية في الكهرباء، وقد غامرت عندما أشرت إلى اسم الكترون"^[20]. وكلمة الكترون (بالإنجليزية: electron) هي مركبة مستنبطة من كلمة الكتريك electric ولاحقتها ون -on، والتي استخدمت بعد ذلك للإشارة إلى الجسيمات دون الذرية مثل البروتون والنيوترون^[21][22].

الاكتشاف

قام الفيزيائي الألماني يوهان فيلهلم هتورف بدراسة التوصيل الكهربائي على الغازات المتخلخلة. فاكتشف سنة 1869 وهج منبعث من مهبط يزداد بالحجم عند تقليل ضغط الغاز. وفي سنة 1876 أظهر الفيزيائي الألماني يوجين غولدشتاين أن أشعة هذا الوهج له ظل، فأطلق عليه اسم لهم أشعة الكاثود^[24]. وفي السبعينات من نفس القرن طور الكيميائي والفيزيائي الإنجليزي السير وليام كروكس أول أنبوب أشعة الكاثود مفرغة بالداخل^[25]. ثم أظهر بعد ذلك بأن أشعة التلألؤ التي تظهر داخل أنبوب تحمل طاقة وتنتقل من القطب السالب إلى القطب الموجب. بالإضافة إلى أنه كان قادرا على تحريك الأشعة عند تطبيق مجال مغناطيسي عليها، مما يدل على أن الشعاع تصرف كما لو كان سالب الشحنة^[26][27]. فاقترح سنة 1879 أنه بالإمكان تفسير تلك الخصائص من خلال مااسماه مادة مشعة. وألمح إلى أن قد تكون هذه الحالة الرابعة للمادة التي تتكون من جزيئات سالبة الشحنة تنطلق بسرعة عالية من الكاثود^[28].

وسع الفيزيائي البريطاني -ألماني المولد- آرثر شوستر من تجارب كروكس وذلك بوضع صفيحة معدنية متوازية مع أشعة الكاثود وطبق الكمون الكهربائي بين الصفيحتين. فصرف المجال تلك الأشعة باتجاه الصفيحة موجبة الشحنة، مما أعطى أدلة جديدة على أن تلك الأشعة تحمل شحنة سالبة. وتمكن شوستر في سنة 1890 من تقدير نسبة الشحنة للكتلة لمكونات الأشعة عن طريق قياس مقدار انحراف عن المستوى المحدد للتيار. لكن أنتاج تلك القيمة التي كانت أكثر من ألف مرة من المتوقع، هو إعطاء بعض المصداقية لتلك الحسابات في ذاك الوقت^[26][29].

في عام 1896 أجرى الفيزيائي البريطاني جوزيف طومسون مع مساعديه تاونسند وويلسون^[6] تجارب أشارت إلى أن أشعاعات الكاثود هي جسيمات فريدة من نوعها بدلا من أن تكون موجات أو ذرات أو حتى جزيئات كما كان الاعتقاد سابقا^[30]. وقد أعطى طومسون قيمة جيدة لكل من الشحنة e والكتلةm، موجدا جسيمات لأشعة الكاثود واسماها "الكريات" (بالإنجليزية: corpuscles)، ولها كتلة قد تكون واحد من الألف من كتلة أقل الأيونات المعروفة: الهيدروجين^[12][30]. وأظهر أن نسبة الشحنة للكتلة e/m مستقلة عن مادة الكاثود. وأظهر أيضا أن إنتاج جسيمات سالبة الشحنة من مواد مشعة بواسطة التسخين ومن مواد مضيئة هو شيء كوني ^[30]. وقد أعاد الفيزيائي الأيرلندي جورج فيتزجيرالد الاقتراح بتسمية تلك الجسيمات باسم إلكترون، وقد لقي هذا الاسم قبولا علميا دوليا منذ ذلك الوقت ^[26].

اكتشف الفيزيائي الفرنسي هنري بيكريل أثناء دراسة الومضان الطبيعي للمعادن سنة 1896 أنها تصدر إشعاع دون التعرض لمصدر طاقة خارجي. فأصبحت تلك المواد المشعة موضع اهتمام كبير للعلماء خصوصا الفيزيائي النيوزلندي إرنست رذرفورد الذي اكتشف أنها تصدر جسيمات. وأطلق عليها جسيمات ألفا وبيتا على أساس قدرتها على اختراق المادة^[31]. وفي سنة 1900 أظهر بيكريل أن بإمكان أشعة بيتا المنبعثة من الراديوم أن تنحرف في وجود مجال كهربائي وأن نسبة الكتلة للشحنة هي نفسها كما في أشعة الكاثود^[32]. فعززت هذا الدليل الرأي القائل بأن الالكترونات توجد كعناصر في الذرات^[33][34].

قام الفيزيائي الأمريكي روبرت ميليكان بعناية ودقة أكثر في قياس شحنة الإلكترون في تجربة قطرة الزيت سنة 1909 ثم نشر النتائج سنة 1911. واستخدمت تلك التجربة المجال الكهربائي لمنع قطرات الزيت المشحونة من السقوط بسبب الجاذبية. وامكن لهذا الجهاز قياس الشحنة الكهربائية حتى 1-150 أيون مع هامش خطأ اقل من 0.3٪. وقد أجرى فريق طومسون تجارب مماثلة قبل ذلك^[30]، باستخدام سحب من قطرات الماء المشحونة انتجها التحليل الكهربائي^[6]. وقد حصل ابرام يوفي منفصلا على نفس نتائج ميليكان وذلك باستخدام جسيمات مجهرية من المعادن، وكان ذلك سنة 1911 ولكن نشر النتائج سنة 1913^[35]. مع ذلك فإن قطرات الزيت أكثر ثباتا من قطرات الماء بسبب ضعف معدل التبخير لديه، وبالتالي فالتجارب الدقيقة بدأت أكثر ملاءمة خلال فترات زمنية أطول^[36].

وجد عند بداية القرن العشرين وفي ظروف معينة جسيمات مشحونة سريعة الحركة تسبب بتكثيف بخار ماء مفرط بالتشبع خلال مساره. ففي سنة 1911 استخدم تشارلز ويلسون هذا المبدأ لاستنباط غرفة غيوم مما سمح بتصوير مسارات الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات سريعة الحركة^[37].