آزمایش تامسون-شرح آزمایش و نتایج به دست آمده از آن

قبل از معرفی آزمایش تامسون مرور مختصری بر زندگی این دانشمند می گذرانیم. جوزف جان تامسون یک فیزیکدان بریتانیایی بود. او در نزدیکی های منچستر در ۱۸ دسامبر سال ۱۸۵۶ متولد شد. در منچستر و کمبریج تحصیل کرده است. وی هنگامی که تنها ۱۴ سال داشت دارد کالج شده است. او ابتدا میخواست که در رشته های مهندسی ادامه تحصیل دهد اما به رشته ی فیزیک روی آورد.

آزمایش-تامسون

در سال ۱۸۸۴ استاد فیزیک دانشگاه شده و در همان عضو انجمن سلطنتی شده بود. در سال ۱۹۰۵ استاد انستیتو سلطنیتی و در سال ۱۹۰۶ جایزه نوبل فیزیک به او داده شد. و پسرش جرج پاجت تامسون در سال ۱۹۳۷ نوبل فیزیک را گرفت. در ادامه  گرفتن نوبل فیزیک توسط جان تامسون، وی در سال ۱۹۱۸ استاد کالج ترینتی شد.

تامسون در یکی از شب های درگیری در جنگ جهانی دوم در ۳۰ آگوست سال ۱۹۴۰ هنگامی ک ۸۴ سال سن داشت چشم از جهان فروبست. او در کلیسای westminster abbey لندن در کنار قبر های نیوتون، داروین، کلوین، هرشل و رادرفورد دفن شد.

وی برای اتم مدلی ارائه داد که یکی از اولین کوشش ها بعد از مدل توپ بیلیارد جان دالتون برای توضیح ساختار اتم در اوایل قرن بیستم به شمار میرود.

شرح آزمایش

برای دانستن آزمایش تامسون ابتدا باید آزمایش زمایش کروکز crookes  را بدانید.

آزمایش کروکز

کروکز در دو انتهای یک لوله شیشه ای مسدود، دو صفحه فلزی که به آن الکترود می گویند قرار داد. سپس هر صفحه را به یک قطب از یک منبع با ولتاژ بالا وصل نمود. چون هوای داخل لوله شیشه ای با فشار معمولی پُر شده بود به علت تراکم مولکول های هوا، قاعدتاً هیچگونه جریان الکتریکی نمی توانست واقع شود.

بنابراین به محض اینکه پمپ تخلیه فشار داخل لوله به ۱۰mmHg کاهش یافت، با کم شدن تراکم مولکول های هوا و باز شدن فضای داخل لوله، جریان الکتریکی از طرف صفحه کاتد (بارمنفی) به طرف صفحه آند (بارمثبت) بر قرار گردید و فضای لوله روشن شد. به این پرتو که از کاتد سرچشمه می گیرد پرتو کاتدی می گویند. کروکس با نزدیک کردن یک آهن ربا به لوله شیشه ای و منحرف شدن اشعه از مسیر مستقیم خود نتیجه گرفت که پرتو کاتدی از ذراتی ساخته شده که دارای بار الکتریکی هستند.

آزمایش تامسون

تامسون دوصفحه ای که هریک به قطبی ازیک منبع با ولتاژ پائین وصل شده بود به لوله شیشه ای آزمایش کروکس نزدیک کرد. مشاهده نمود که مسیر مستقیم پرتو به طرف صفحه با بار مثبت منحرف می شود. او نتیجه گرفت که بارالکتریکی ذرات تشکیل دهنده پرتو کاتدی منفی است. همانطوری که Stoney پیشنهاد کرده بود آن را الکترون نامید. اگر چه تامسون نمی توانست جرم و اندازه بار الکترون را اندازه بگیرد لیکن از طریق میزان انحراف مسیر پرتو کاتدی در یک میدان مغناطیسی با قدرت مشخص توانست نسبت بار الکتریکی e را به جرم الکترون m به دست آورد. نسبت آنها را elm می نامند.

ویژگی های بدست آمده از این آزمایش

الکترون‌ها در محیطی ابرگونه از جنس بار مثبت پراکنده شده‌اند.
جرم فضای ابرگونه تقریباً صفر است.
سنگینی اتم ناشی از وجود تعداد زیاد الکترون در آن است (بیشتر جرم اتم مربوط به جرم الکترون است).

مشکلات مدل کیک کشمشی

متاسفانه، آزمایش‌های بعدی مشخص کرد که مدل تامسون چندین اشکال علمی دارد. پنج سال بعد، این مدل توسط هانس گایگر و ارنست مارشدن، که مجموعه‌ای از آزمایش‌ها را با استفاده از ذرات آلفا و فویل طلا انجام دادند، رد شد.

در این آزمایش که با نام آزمایش فویل طلایی شناخته می‌شود، الگوی پراکندگی ذرات آلفا با استفاده از صفحه‌ی فلورسنت اندازه‌گیری شد. اگر مدل تامسون درست بود، ذرات آلفا باید بدون انحراف از فویل عبور می‌کردند. با این حال، تعدادی از این ذرات در مسیرهای متفاوتی پراکنده شدند و حتی برخی از آن‌ها به محل اولیه‌ی خود بازگشتند!

گایگر و مارشدن نتیجه گرفتند که این ذرات با نیروی الکترواستاتیکی بسیار بزرگتر از آنچه که توسط مدل تامسون مجاز بود، مواجه شده‌اند. از آنجا که ذرات آلفا در واقع هسته‌های هلیوم با بار مثبت هستند نتیجه گرفته می‌شود که بار مثبت درون اتم پراکنده نیست. بلکه در فضایی بسیار کوچکتر در مقایسه با اتم متمرکز شده است. علاوه بر این، این واقعیت که بیشتر ذرات بدون انحراف عبور کرده‌اند نشان از این دارد که این فضاهای مثبت با فضاهای خالی وسیع از هم جدا شده‌اند.

در سال ۱۹۱۱، ارنست رادرفورد آزمایش Geiger-Marsden را تفسیر و مدل تامسون را رد کرد. در عوض، او مدلی را پیشنهاد کرد که در بیشتر فضای اتم را فضای خالی تشکیل داده و تمام بار مثبت آن در نقطه‌ای بسیار کوچک در مرکز متمرکز شده. ابرهایی از الکترون این هسته‌ی مثبت را احاطه نموده است. این مدل با نام مدل اتمی رادرفورد شناخته می‌شود که میتوانید در فرازدانش ببینید:https://farazdanesh.com/ernest-rutherford-and-his-atomic-theory/