کشف الکترون

در اواخر قرن نوزدهم، فیزیکدان انگلیسی به نام «سر جوزف جان تامسون» (Sir Joseph John Thomson)، آزمایشی را با لوله پرتو کاتدی انجام داد. لوله پرتو کاتدی، لوله‌ای شیشه‌ای است که بیشترِ هوای آن تخلیه شده است. با اعمال ولتاژ زیاد به الکترودهای یک سر لوله، باریکه‌ای از ذرات،‌ از کاتد به آند جریان پیدا کردند. این پرتوها را می‌توان با استفاده از ماده‌ای رنگی حاوی فسفر، مشاهده کرد.

الکترون

دستگاه آزمایش تامسون

بمنظور بررسی خواص ذرات، تامسون، دو صفحه باردار الکتریکی با بار ناهمنام را در اطراف لوله پرتو کاتدی قرار داد. پرتو کاتدی به هنگام عبور،‌ از صفحه با بار منفی دفع و به طرف صفحه با بار مثبت جذب شد. این آزمایش نشان داد که پرتو کاتدی از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است.

علاوه بر این، تامسون دو آهنربا را در اطراف لوله پرتو کاتدی قرار داد و مشاهده کرد که میدان مغناطیسی نیز موجب انحراف پرتو کاتدی می‌شود. در اثر این آزمایشات، تامسون موفق به اندازه‌گیری نسبت «جرم به بار» (Mass-to-charge) ذرات پرتو کاتدی شد. به کمک این آزمایش مشخص شد که جرم هر ذره، بسیار کمتر از هر نوع اتم شناخته شده‌ای است.

تامسون این آزمایش را با الکترودهای فلزی دیگری نیز انجام داد و متوجه شد که خواص پرتو کاتدی ثابت می‌مانند و در نتیجه، مستقل از جنس الکترود استفاده شده هستند. تامسون به کمک یافته‌های آزمایش خود،‌ نتایج زیر را ارائه کرد:

پرتو کاتدی از ذراتی با بار منفی تشکیل شده است.

این ذرات باید جزئی از یک اتم باشند چراکه جرم هر ذره، تنها

جرم اتم هیدروژن است.

این ذرات زیر اتمی،‌ در تمامی اتم‌ها وجود دارند.

نتایج تامسون در ابتدا، مخالفانی هم داشت اما به مرور مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. در نهایت،‌ به ذرات پرتو کاتدی آزمایش تامسون نامی اختصاص پیدا کرد که الکترون بود. کشف الکترون، بخشی از نظریه اتمی دالتون را نقض می‌کرد که می‌گفت اتم‌ها به ذرات کوچکتری تقسیم نمی‌شوند. به منظور توصیف حضور الکترون‌ها، مدل جدیدتر اتمی مورد نیاز بود.

مدل کیک کشمشی تامسون

تامسون می‌دانست که اتم‌ها، به لحاظ با الکتریکی خنثی هستند. در نتیجه، او اظهار داشت که باید منبعی با بار مثبت در اتم‌ها وجود داشته باشد تا بار منفی الکترون‌ها را خنثی کند. این امر موجب شد تا تامسون بیان کند که اتم‌ها را می‌توان به صورت ذراتی با بار منفی توصیف کرد که در میان بارهای مثبت در حرکت هستند. این مدل را به طور معمول با نام «مدل کیک کشمشی» (Plum Pudding Model) می‌شناسند.

با توجه به دانسته‌های امروزی ما در خصوص اتم، می‌دانیم که مدل کیک کشمشی تامسون، مدل صحیحی نیست. دانشمندان به بررسی ساختار اتم‌ها ادامه دادند و حتی صحت مدل اتمی تامسون را نیز مورد ارزیابی قرار دادند.

ارنست رادرفورد و آزمایش ورقه طلا

آزمایش بعدی که در خصوص ساختار اتم انجام شد، آزمایشی بود که توسط دانشمند نیوزیلندی، ارنست رادرفورد انجام شد. در این آزمایش، رادرفورد، پرتو باریکی از ذرات آلفا را به ورقه نازکی از طلا تابید. برای این‌کار، رادرفورد نمونه‌‌ای از فلزی رادیواکتیو موسوم به رادیم را داخل جعبه‌ای سربی قرار داد که روزنه کوچکی به بیرون داشت. بیشتر پرتوها توسط جعبه سربی جذب شدند اما باریکه‌ای از ذرات آلفا با گذشتن از روزنه، به ورقه طلا برخورد کردند. ورقه طلا نیز با آشکارسازی احاطه شده بود که وجود پرتو آلفا را آشکار می‌کرد.