پرسش

با عرض سلام و خسته نباشید
می خواستم بدانم جوزف تامسون چگونه نسبت بار به جرم الكترون را اندازه گیری كرد؟

پاسخ

در اواخر قرن نوزدهم اشعه‌ی كاتدی كه جریانی از الكترونهاست مورد بررسی قرار گرفت و مشخص شد كه الكترونها دارای بار الكتریكی منفی هستند و طبیعت این الكترونها هم به جنس ماده بستگی ندارد، اما میزان بار یا جرم این ذرات همچنان ناشناخته بود تا اینكه آقای جوزف تامسون در سال 1897 موفق شد نسبت بار به جرم الكترون را از طریق بررسی انحراف اشعه‌ی كاتدی در میدانهای الكتریكی و مغناطیسی معین كند . البته لازم به ذكر است روش تامسون قادر نبود میزان بار یا جرم الكترون را هر یك به تنهایی تعیین كند. روش تامسون بر این اصل استوار است كه میدانهای مغناطیسی و جریان الكتریكی بر یكدیگر تاثیر متقابل دارند یعنی میدان مغناطیسی قادر است ذرات باردار را كه در مسیر مستقیم حركت می‌كنند از مسیر خود منحرف كند. پس وقتی كه یك الكترون با بار الكتریكی e و جرم m با سرعت v وارد یك میدان مغناطیسی می‌شود ، از مسیر مستقیم خود منحرف می‌شود و مسیرش هلال یا دایره‌ای می‌شود كه شعاع آن r می‌باشد. مقدار r از رابطه زیر بدست می‌آید:
(1) r=mv/He
كه در آن H شدت میدان مغناطیسی است.همانطور كه از رابطه بالا مشخص است هر چه شدت میدان و بار الكتریكی ذره بیشتر باشد r كوچكتر می‌شود. كوچكتر شدن r به معنای بیشتر شدن انحراف از مسیر مستقیم است. از طرف دیگر چون r با m , v رابطه مستقیم دارد پس هر چه سرعت و جرم ذره بیشتر باشد انحراف ذره كمتر می‌شود.
اگر رابطه فوق را كمی جابجا كنیم رابطه زیر بدست می‌آید:
(2) e/mv=1/Hr
آقای تامسون مقدار r را برای انحراف اشعه كاتدی در یك میدان مغناطیسی با شدت معین معلوم كرد و از آنجا توانست مقدار e/mv را بدست آورد. اما برای بدست آوردن e/m باید مقدار v را نیز معین كرد. یكی از روشهایی كه تامسون برای پیدا كردن مقدار v به كار برد مطالعه‌ی اشعه‌ی كاتدی در لامپی بود كه در امتداد آن میدانهای الكتریكی و مغناطیسی همزمان و عمود بر هم برقرار شده بود. طبق روابط فیزیك وریاضی سرعت الكترون از رابطه زیر بدست می‌آید:
V=E/H (3)
كه در آن E شدت میدان الكتریكی و H شدت میدان مغناطیسی است.با قرار دادن رابطه (3) در فرمول (2) رابطه زیر بدست آورد:
e/m=E/(H**2)r
آقای تامسون مقدار عددی این كمیت را به میزان زیر گزارش كرد:
e/m=-5.2728*10**17 esu/g

اگر به چگونگی بدست آوردن V نیاز دارید می‌توانید به كتاب شیمی عمومی نوشته آقای مورتیمر فصل دوم مراجعه فرمائید چون توضیح آن نیاز به رسم شكل دارد و امكان رسم یا اسكن شكل برای من وجود ندارد.