الإلكترون - أشعة الكاثود

كيف تبدو الذرّة من الداخل؟ هل هي متماثلة، أم مكوّنة من جسيمات أصغر؟ درس كثير من العلماء الذرّات في القرن التاسع عشر، لكن بعض هذه الأسئلة لم تُجَب حتى عام 1900م. واستعمل الباحثون أنبوب أشعة الكاثود لمعرفة المزيد.

في طرفي الأنبوب قطبان معدنيان:

• الكاثود: القطب الموصول بالطرف السالب للبطارية.
• الأنود: القطب الموصول بالطرف الموجب للبطارية.

تابع العلماء أبحاثهم بأنابيب أشعة الكاثود، ومع نهاية القرن التاسع عشر صاروا مقتنعين بأن:

• أشعة الكاثود سيل من الجسيمات المشحونة.
• هذه الجسيمات تحمل شحنات سالبة (ولم تكن القيمة الحقيقية للشحنة معروفة بعد).
• هذه الجسيمات موجودة في كل المواد.

وكيف عرفوا أنها في كل المواد؟ لأن تغيير معدن الأقطاب أو تغيير الغاز في الأنبوب لا يغيّر أشعة الكاثود الناتجة. وسُمّيت هذه الجسيمات السالبة الإلكترونات.

قاس العالم طومسون تأثير المجال المغناطيسي والمجال الكهربائي في أشعة الكاثود بدقة، فاستطاع تحديد نسبة الشحنة إلى الكتلة لهذه الجسيمات، ثم قارنها بنسب أخرى معروفة.

واستنتج طومسون أن كتلة الجسيم المشحون أقل بكثير من كتلة ذرّة الهيدروجين، وهي أصغر ذرّة معروفة.

كان هذا الاستنتاج مفاجئًا؛ لأنه يعني أن هذه الجسيمات أصغر من الذرّة، أي أن:

• الذرّات يمكن تجزئتها إلى جسيمات أصغر.
• دالتون كان مخطئًا حين قال إن الذرّات لا تتجزّأ.

وجد كثير من العلماء صعوبة في قبول ذلك، لكن طومسون كان على صواب؛ فقد اكتشف أول جسيم من الجسيمات المكوّنة للذرّة، وهو الإلكترون، وحصل على جائزة نوبل عام 1906م.

جاءت الخطوة المهمة التالية في العقد الثاني من القرن العشرين، عندما حدّد العالم روبرت مليكان شحنة الإلكترون:

ومن معرفته بشحنة الإلكترون، واستعمال نسبة الشحنة إلى الكتلة التي حدّدها طومسون، تمكّن مليكان من حساب كتلة الإلكترون.

أثار اكتشاف الإلكترون سؤالين:

1. المادة متعادلة كهربائيًا، فأنت لا تُصعق عند لمس الأشياء. فإذا كانت الإلكترونات السالبة في كل المواد، فكيف تكون المادة متعادلة؟
2. كتلة الإلكترون صغيرة جدًا، فما المسؤول عن كتلة الذرّة؟

وللإجابة اقترح طومسون نموذجًا للذرّة:

لكن هذا النموذج لم يستمر طويلًا، كما سترى في الموضوع التالي.