تعيين شحنة الإلكترون (تجربة طومسون – تجربة ميليكان)

تعيين شحنة الإلكترون عملياً

– فى هذا الموضوع سيتم شرح تجربة طومسون 1897م و تجربة ميليكان 1902م لتعيين شحنة الإلكترون.

تجربة طومسون لتعيين النسبة (e/m) للإلكترون

Thomson^‘s experiment for measuring the ratio e/m for electron

– استطاع طومسون عام 1897م أن يعين القيمة العددية لنسبة شحنة الإلكترون إلى كتلته e/m بواسطة استخدام انحراف مسار شعاع أشعة المهبط في أنبوبة محاطة بمجالين أحدهما مغناطيسي والآخر كهربي متعامدين على بعضهما.

– إذا تحرك تيار من دقائق سالبة الشحنة ( أشعة المهبط) (C) وكانت شحنة الالكترون (الجسيم (e) وكتلته (m) وله سرعة (ν) في اتجاه خط مستقيم متعامد عليها مجال مغناطيسي شدته (H) وهذه القوة المؤثرة مقدارها Hev فأن الجسيمات تصبح في مسار دائري نصف قطره (r) حيث هذه القوة المغناطيسية تساوي القوة الطاردة المركزية علي الإلكترون بناءاً على التجاذب الحادث للمجال الكهربي الموجب (A) الأنود

Heν = mν²/r

e/m = ν/Hr

– ويمكن قياس انحناء (r) مسار أشعة المهبط عندما تحيد في مجال شدته (H) ، ولكن أيضا يلزم معرفة السرعة (ν) حتى يمكن تعيين (e/m).

– لذلك يستخدم مجال كهربي شدته (X) متعامد على المجال المغناطيسي ويؤثر على الشحنة بقوة (Xe) ويضبط بحيث تعيد الإلكترون إلى مساره الأصلي وهو الخط المستقيم ، وعندما تساوي المجالين يكون كما يلي:

Xe = Heν

ν = X / H

وبالتعويض في المعادلة أعلاه نجد أن المعادلة أصبحت كما يلي:

e/m = X / H²r

ومن قيم كل من X ، H يمكننا حساب النسبة (e/m) وهي قيمة ثابتة مهما كان نوع الغاز وتساوي1.759 × 10⁸كولوم علماً بأن سرعتها ليست عالية.

تجربة ميليكان لتعيين شحنة الإلكترون (تجربة قطرة الزيت)

Millikan’s Experiment  for measuring the charge on an electron

Oil drop experiment

– في عام 1909 تمكن العالم ميليكان من تقدير كتلة شحنة الإلكترون المطلقة بواسطة الجهاز المبين كما يلي:

– يتكون الجهاز من حجرة بداخلها لوحين متوازيين(P₁) ،  (P₂)من المعدن مثبتين ويمكن شحنهما بواسطة اتصالهما ببطارية ذات جهد كهربي عال وأيضاً مزودة بداخلها جهاز رش (دش) يخرج منه قطرات من الزيت صغيرة جداً. ومنه نحصل على قطرة صغيرة من الزيت لتمر خلال الفتحة للوح العلوي لتدخل في الفراغ بين اللوحين.

– ونلاحظ حركة القطرة في حالة سقوطها من جهاز الرش من خلال منظار عن طريق شباك يدخل منه ضوء عند فتحة (E( حتى يمكن حساب الزمن اللازم لسقوط القطرة المضادة تحت تأثير عجلة الجاذبية الأرضية ولزوجة الهواء الموجودة داخل الحجرة.

– عند إمرار حزمة من الأشعة السينية داخل الحجرة فإنها تصطدم بالذرات المكون منها الهواء وتؤينه إلى أيونات موجبة وأخري سالبة.

– وبناءاً عليه تكتسب قطرة الزيت إما شحنة موجبة أو سالبة على حسب اصطدامها بالأيون الموجب أو السالب.

– وعند توصيل التيار الكهربي ذي الجهد للوحين فإن قطرة الزيت ستأخذ مساراً إلى أعلي أو أسفل حسب شحنتها تبع نوع المجال الكهربي بين اللوحين (P₁) ، (P₂)

– وبالتالي يمكن حساب الزمن اللازم لتحرك القطرة إلى أعلى عكس اتجاه الجاذبية الأرضة.

حساب شحنة الألكترون 

– وعلى ضوء ما تقدم نجد أنه سرعة سقوط القطرات تحت تأثير الجاذبية الأرضية في غياب المجال الكهربي تكون كما يلي:

V₁ = Kmg

حيث:

m = كتلة القطرة. 

g = عجلة الجاذبية الأرضية.

K = مقدار ثابت يتوقف على لزوجة الهواء وحجم قطرة الزيت.

– يمكن قياس سرعة قطرة الزيت المشحونة عكس شحنة اللوح الأعلى V₂ كما بالمعادلة الآتية:

V₂ = K (Xe – mg)

حيث:

X = شدة المجال الكهربي

e = الشحنة الموجودة على القطرة.

بقسمة (V₁) على (V₂) نحصل على المعادلة الآتية كما يلي:

V₁ / V₂ = mg / (Xe – mg)

– وبالتالي يمكن حساب قيمة (e) وقد وجد أنها تساوي 1.602× 10^-19 كولوم.

– علاوة على ذلك فأنه من حساب قيمة (e/m) التي تساوي 1.602 × 10^-8 كولوم/جم ، يمكن حساب قيمةm  والتي وجد أنها تساوي 9.11× 10^-22 جم 

  المراجع : – أساسيات الكيمياء الفيزيائية.عبد العليم سليمان أبو المجد – فاطمة حافظ كمال محمد ، الطبعة لأولى (1426هـ – 2005م) / دار النشر للجامعات – القاهرة – جمهورية مصر العربية