الإلكترون القشة التي يستند عليها الكون

ما هو الإلكترون الذي يعد أحد ركائز الكون الأساسية؟

الإلكترون (يرمز له بالرمز e-) هو جسيم مستقل دون ذري يدخل في تكوين الذرة. حيث يعد أصغر مكون من مكونات الذرة. وأيضاً يعد من أصغر الجسيمات المعروفة لدى العلماء إن لم يكن أصغرها. وكما يعلم أغلبنا فإن الإلكترون يحمل شحنة سالبة مقدارها 1.6×10^-19 كولوم. وعلى عكس البروتونات والنيترونات فإن الإلكترونات لا تتكون من وحدات بنائية أصغر، ولذلك تعد الإلكترونات جسيمات أولية. يملك الإلكترون مساحة بالغة الصغر بحيث تقدر بنحو 9.11×10^-31 كيلوغرام والتي تمثل 1/1836 من كتلة البروتون. ولكن من المعلومات التي من الممكن أنك لم تكن تعرفها أن الإلكترون يوجد له جسيم مضاد يسمى البوزيترون (Positive electron) ويعرف أيضاً باسم مضاد الإلكترون، يحمل شحنة موجبة ويرمز له بالرمز e+ . وعندما يحدث تصادم بين الإلكترون والبوزيترون تحدث ظاهرة تسمى فناء إلكترون-بوزيترون حيث يتم إفناء كلا الجسمين المتصادمين لينتج عن هذه العملية طاقة على شكل شعاعين من أشعة غاما ( شعاع لكل جسيم ).توجد الإلكترونات حرة في الطبيعة، وتوجد أيضاً بشكل أساسي في الذرات التي تعد وحدة البناء الأساسية للمادة. وهي مسؤولة عن الشحنة السالبة في الذرة، وتدور الإلكترونات حول الذرة في مدارات ثابتة.[1] [2]

اكتشاف الإلكترون

في العام 1897 اكتشف العالم البريطاني تومسون الإلكترون بشكل رسمي. وذلك بعد أن حلل و وضّح نتائج تجربة أنبوب أشعة الكاثود والتي صممها ونفذها العالم ويليام كروكس وذلك في سبعينيات القرن التاسع عشر. ولكن وجدت العديد من الفرضيات التي تفترض وجود جسيم مشحون يدور حول النواة في الذرة قبل ذلك. كالفرضيات التي وضعت على يد العالم ريتشارد لامينج والعالم جونستون ستوني.[1]

حقائق مثيرة عن الإلكترونات

·  تعد الإلكترونات أجسام أولية لأنها تعد أصغر وحدة بنائية للمادة ولا تتكون من جزيئات أصغر من الإلكترونات نفسها. وتنتمي الإلكترونات إلى عائلة ليبتون ( وهي عائلة تتكون من الأجسام الأولية والأساسية للمادة ) وتحمل الإلكترونات الكتلة الأصغر في هذه العائلة.

· في ميكانيكا الكم تعتبر الإلكترونات جسيمات متطابقة. حيث لا يمكن استخدام خاصية فيزيائية معينة للتميز بين أزواج الإلكترونات. ويمكن للإلكترونات أن تتبادل مواضعها من دون أن يحدث أي تغيير أو تأثير ملحوظ على استقرار الذرة.

·  في الذرة يتساوى عدد الإلكترونات حول النواة مع عدد البروتونات داخل النواة، ولكنهما يختلفان في الشحنة. حيث تحمل الإلكترونات شحنة سالبة على عكس البروتونات التي تحمل شحنة موجبة. وذلك الذي يكسب الذرة استقرارها كهربائياً. وإذا حدث أي تغير في عدد الإلكترونات بغض النظر عن إن كان هذا التغيير عبارة عن زيادة أو نقصان، فإن ذلك يؤدي إلى عدم استقرار الذرة.

·  يمكن معرفة ما إذا كانت مشحونة كهربائياً أم لا عن طريق المقارنة بين كمية الشحنات السالبة الموجودة في المادة (الإلكترونات)، وكمية الشحنات الموجبة في نفس المادة (البروتونات). حيث إذا كانت كمية الإلكترونات أكبر فإن هذا يعني بأن المادة تحمل شحنة سالبة. وإذا كانت البروتونات أكثر من الإلكترونات فإن هذا يعني أن المادة تحمل شحنة موجبة. وفي حالة تساوي عدد الإلكترونات والبروتونات فهذا يعني بأن المادة في حالة حياد كهربائي.

·   تمتلك الإلكترونات طبيعة مزدوجة. حيث يمكننا ان نعتبرها جسيمات في يعض الحالات كحالة الفوتونات، وأمواج في حالات أخرى في حالة تجربة حيود الضوء. 

تدور الإلكترونات في مداراتها بزخم زاوي مقداره 0.5 حيث يدور في اتجاهين، إما مع عقارب الساعة أو عكس عقارب الساعة.

·  يوجد لدى العلماء القدرة على عزل إلكترون مفرد باستخدام أداة تسمى مصيدة بينينج (Penning trap) .

·  يتعامل العلماء مع الإلكترونات كنقاط أو شحنات بدون أبعاد مادية. وذلك لشدة صغره، حيث وجد أنا أكبر نصف قطر لإلكترون معروف هو 10^-22 متر.[1]

الكهرباء أحد تطبيقات الإلكترونات التي نعتمد عليها كلياً

تعد الكهرباء أحد التطبيقات المهمة التي استطاع العلماء تسخيرها، واستخدامها في بناء وتطوير المجتمعات البشرية. فما هي الكهرباء؟ وكيف تتكون؟

حسناً إن مفهوم الكهرباء كما نعرف جميعاً: عبارة عن طاقة ناتجة عن نشاط الشحنات السالبة( الإلكترونات ) خلال سلك موصل. ويمكن الإستفادة منها في أغلب مجالات ونشاطات حياتنا اليومية. ولكن التعريف الفعلي للكهرباء أكثر تعقيداً بكثير ولا يمكن حصره ببضع سطور. حيث يندرج تحت التعريف الفعلي والعلمي للكهرباء العديد من المصطلحات والظواهر الفيزيائية الأخرى التي يعد بعضها معقداً إلى حدٍ ما ويحتاج إلى شرح في مقالات مفصلة. مثل المجال الكهرومغناطيسي وظاهرة الحث الكهرومغناطيسي.

وتتكون الكهرباء ( بتعريفها المبسط ) من طاقة تنقلها الإلكترونات في الموصلات نتيجة تأثرها بمجال كهرومغناطيسي(أحد أشكال المؤثرات). فتنتج الكهرباء بهذه الطريقة. ولكن ما هي آليات إنتاج الكهرباء؟ في الواقع توجد العديد من الآليات والطرق لإنتاج وتوليد الكهرباء منها ما هو متجدد كأشعة الشمس، والهواء، والماء. ومنا ما هو غير متجدد كالمحروقات والطاقة النووية. وبالعديد من الطرق الأخرى.[3]

سلوك الإلكترونات في المواد الصلبة والسائلة

·      في المواد الصلبة: تعمل الإلكترونات على توصيل التيار الكهربائي في المواد الصلبة . حيث يعود السبب في ذلك إلى أن الإلكترونات تمثل الجزء النشط والحر، القادر على توصيل الشحنة. ولذلك يمكنها توصيل التيار الكهربائي.

·      في المحاليل والمواد السائلة: يتم نقل التيار الكهربائي في السوائل والمحاليل الموصلة عن طريق الأيونات. حيث تنتج هذه الأيونات ذات الصيغة الكيميائية التي تجعلها قادرة على توصيل التيار الكهربائي عن طريق تفاعلات تحدث بين إلكترونات ذرات السائل مع بعضها البعض، او مع جزيئات أخرى تضاف إلى هذا السائل.[1]

استخدامات الكهرباء

تعد الكهرباء أحد ركائز وأعصاب الحياة الأساسية التي تتوقف عليها الحياة. حيث تم توظيفها من قبل العلماء والمختصين بداية الثورة الصناعية. وتوسع بعد ذلك استخدامها إلى أن شمل معظم إن لم كل مجالات ونواحي الحياة. حيث برز استخدامها في مجال الإتصال حيث كانت أول وسيلة اتصال حديثة هي التلغراف الكهربائي. الذي تم اختراعه على يد العالمين وليام كوك وتشارلز ويتستون عام 1837. وكان هذا الجهاز بذلك من أوائل تطبيقات الكهرباء في هذا المجال. ولا بد أن نشير إلى صعوبة حصر استخدامات وتطبيقات الكهرباء في بضعة أسطر. فإن نظرنا حولنا سنجد الكهرباء بكل شيء. حيث أنها تشغل جهازك المحمول أو حاسوبك الذي تقرأ منه هذا المقال في هذه اللحظة. وهي المسؤولة عن تشغيل سيارتك حتى أنها المسؤولة عن تنظيم ضربات قلبك. وبذلك في مسؤالة عن حياتك. ويعود الفضل في ذلك إلى ذلك الجسيم الصغير منعدم الأبعاد سالب الشحنة.[3]