الکترون: ريز و تيزپا

الکترون‌ها ريز، متنوع و هميشگي‌اند. واژه الکترون در واقع يوناني است و کهربا گفته مي‌شد که ماده‌اي فسيلي به‌رنگ زرد مايل به قهوه‌اي است که از آن در ساختن پيپ استفاده مي‌شود. اگر کهربا را با پارچه مالش دهيم، خرده‌هاي کاغذ يا ذرات غبار را به خود جذب مي‌کند. اين خاصيت را الکتريسيته ساکن مي‌گويند. تا مدت‌ها خواص الکتريسيته و مغناطيس را متفاوت و حتي مجزا از هم مي‌پنداشتند. زماني که قطعه سيمي داراي خاصيت الکتريکي مي‌شود، در ظاهر هيچ مقدار ماده‌اي کم يا زياد نمي‌شود. در سال 1879 يعني فقط چهار سال قبل از شروع قرن بيستم، تامسون دريافت در حقيقت الکتريسيته توسط حرکت ذرات بسيار کوچک ماده حمل مي‌شود. او آن ذرات را الکترون ناميد. الکترون‌ها نه‌تنها کوچک‌ترين ذرات حامل الکتريسيته هستند، بلکه مقدار بار الکتريکي که توسط هر الکترون حمل مي‌شود، همان تعريف واحد بار الکتريکي براي ساير ذرات مشاهده‌شده تا به امروز است. اگر در ميان ذرات بنيادي يکي از ديگري بنيادي‌تر باشد، بايد يادمان باشد که بي‌شک الکترون يکي از بنيادي‌ترينِ ذرات است.تصويري که کم‌وبيش در ذهن همه از اتم جاي دارد، اين‌گونه است که اتم متشکل از يک سامانه شامل هسته در مرکز است و الکترون‌ها به دور هسته در چرخش‌اند؛ چيزي شبيه به سامانه خورشيدي. اما بايد يادمان باشد که الکترون‌ها مي‌توانند به‌تنهايي و به‌صورت مجزا وجود داشته باشند.تصوير حاصل روي صفحه تلويزيون يا نمايشگر کامپيوتر نتيجه شليک باريکه‌اي از الکترون‌ها توسط تفنگ الکتروني است که به اندوده خاصي برخورد مي‌کنند. از کاهش سرعت ناگهاني الکترون‌ها، نوعي پرتو ايکس نرم توليد مي‌شود که در پزشکي هسته‌اي کاربرد فراوانی دارد. در نوع خاصي از شتاب‌دهنده‌هاي پرانرژي به نام برخورددهنده‌هاي الکترون پوزيترون، باريکه‌اي از الکترون‌ها و باريکه‌اي از پوزيترون‌ها -يا همان پاد‌الکترون‌ها- در دو راستاي مخالف با سرعتي بسيار نزديک به سرعت نور شتاب داده مي‌شوند، سپس به يکديگر نزديک شده و بالاخره باهم تصادم مي‌کنند. نتيجه اين رويداد، مقياسي بسيار کوچک از پديده‌اي است که در مهبانگ رخ‌ داده است.الکترون ذره‌اي بسيار کوچک است، به کوچکي يک ميليونيم يک تريليونيم متر؛ اندازه‌اي که عملا قابل‌اندازه‌گيري نيست. اگر باريکه‌اي از الکترون‌هاي سريع با انرژي بالا را به ‌طرف الکترون‌هاي هدف شليک کنيم، در فاصله‌اي معين به‌ واسطه نيروهاي متقابل موجود، الکترون‌ها از مسير اوليه خود منحرف مي‌شوند. بر مبناي کوتاه‌ترين فاصله و محاسبات دقيق فيزيک‌دانان اندازه الکترون و نيز بار الکتريکي را که حمل مي‌کند، پيدا مي‌کنند. يک الکترون نزديک‌ترين چيز به مفهوم فيزيکي مجرد است که آن را ذره نقطه‌اي مي‌ناميم. همان نقطه هندسي بدون بُعد با جرمي معين که خود يکي از مفاهيم بنيادي در فيزيک کلاسيک است.در قياسي ملموس نسبت جرم الکترون به يک پشه برابر است با نسبت جرم پشه به جرم ستاره‌اي هم‌جرم خورشيد. جان کلام اينکه در ميان تمام ذرات بنيادي شناخته‌شده با جرم متناهي، الکترون از کوچک‌ترين‌ها و سبک‌ترين‌ها است. اهميت اصلي الکترون نه در جرم آن بلکه در بار الکتريکي آن است. واحد بار الکتريکي کولن ناميده مي‌شود. مقدار بار الکتريکي براي يک الکترون از مقياس 10 به توان منفي 19 است؛ عددي بسيار کوچک که طبق قرارداد علامت آن هم منفي است.يک ماشين‌حساب خيلي کوچک را تصور کنيد که با يک باتري يک‌و‌نيم‌ولتي کار مي‌کند و مصرفش هم از مقياس پنج ده‌هزارم وات است. اين ماشين‌حساب کوچک با يک جريان بسيار کم برحسب آمپر کار مي‌کند. درواقع عبور 2.5 تريليون الکترون از مدار الکترونيکي آن در هر يک‌هزارم ثانيه.اندازه بار الکتريکي يک الکترون همان تعريف اصلي واحد بار الکتريکي براي تمام ذرات، اتم‌هاي يونيده و مولکول‌ها است. از اين قاعده که به قاعده کوانتش بار موسوم است، هيچ انحرافي وجود ندارد. بار تمام ذرات شناخته‌شده مضرب صحيحي يا مضربي کسري (کسر گويا) از بار الکترون است که با نماد q نشان مي‌دهند. احتمالا نام کوارک‌ها به گوشتان خورده است؛ ذرات سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها. هر پروتون و هر نوترون، هر‌يک از سه کوارک بالا يا پايين ساخته ‌شده‌اند. بار الکتريکي کوارک‌ها مضربي از بار الکترون است به‌گونه‌اي که در نهايت نوترون ذره‌اي بدون بار و پروتون يک واحد بار مثبت دارد.يکي ديگر از خواص اساسي الکترون، پايداري آن است. خاصيتي که فقط تعداد اندکي از ذرات بنيادي دارند. الکترون‌ها تحت هيچ شرايطي به ذرات کوچک‌تر ديگر تبديل نمي‌شوند. در ميان تمام ذرات بنيادي شناخته‌شده با جرم غير صفر، الکترون از سبک‌ترين ذرات محسوب مي‌شود. همچنين الکترون از قديمي‌ترين (اگر نه قديمي‌ترين) ذرات بنيادي به شمار مي‌رود. گويي الکترون‌هاي ريز و تيزپا از همان لحظات اول پيدايش عالم بوده‌اند و خواهند بود.

الکترون‌ها ريز، متنوع و هميشگي‌اند. واژه الکترون در واقع يوناني است و کهربا گفته مي‌شد که ماده‌اي فسيلي به‌رنگ زرد مايل به قهوه‌اي است که از آن در ساختن پيپ استفاده مي‌شود. اگر کهربا را با پارچه مالش دهيم، خرده‌هاي کاغذ يا ذرات غبار را به خود جذب مي‌کند. اين خاصيت را الکتريسيته ساکن مي‌گويند. تا مدت‌ها خواص الکتريسيته و مغناطيس را متفاوت و حتي مجزا از هم مي‌پنداشتند. زماني که قطعه سيمي داراي خاصيت الکتريکي مي‌شود، در ظاهر هيچ مقدار ماده‌اي کم يا زياد نمي‌شود. در سال 1879 يعني فقط چهار سال قبل از شروع قرن بيستم، تامسون دريافت در حقيقت الکتريسيته توسط حرکت ذرات بسيار کوچک ماده حمل مي‌شود. او آن ذرات را الکترون ناميد. الکترون‌ها نه‌تنها کوچک‌ترين ذرات حامل الکتريسيته هستند، بلکه مقدار بار الکتريکي که توسط هر الکترون حمل مي‌شود، همان تعريف واحد بار الکتريکي براي ساير ذرات مشاهده‌شده تا به امروز است. اگر در ميان ذرات بنيادي يکي از ديگري بنيادي‌تر باشد، بايد يادمان باشد که بي‌شک الکترون يکي از بنيادي‌ترينِ ذرات است.تصويري که کم‌وبيش در ذهن همه از اتم جاي دارد، اين‌گونه است که اتم متشکل از يک سامانه شامل هسته در مرکز است و الکترون‌ها به دور هسته در چرخش‌اند؛ چيزي شبيه به سامانه خورشيدي. اما بايد يادمان باشد که الکترون‌ها مي‌توانند به‌تنهايي و به‌صورت مجزا وجود داشته باشند.تصوير حاصل روي صفحه تلويزيون يا نمايشگر کامپيوتر نتيجه شليک باريکه‌اي از الکترون‌ها توسط تفنگ الکتروني است که به اندوده خاصي برخورد مي‌کنند. از کاهش سرعت ناگهاني الکترون‌ها، نوعي پرتو ايکس نرم توليد مي‌شود که در پزشکي هسته‌اي کاربرد فراوانی دارد. در نوع خاصي از شتاب‌دهنده‌هاي پرانرژي به نام برخورددهنده‌هاي الکترون پوزيترون، باريکه‌اي از الکترون‌ها و باريکه‌اي از پوزيترون‌ها -يا همان پاد‌الکترون‌ها- در دو راستاي مخالف با سرعتي بسيار نزديک به سرعت نور شتاب داده مي‌شوند، سپس به يکديگر نزديک شده و بالاخره باهم تصادم مي‌کنند. نتيجه اين رويداد، مقياسي بسيار کوچک از پديده‌اي است که در مهبانگ رخ‌ داده است.الکترون ذره‌اي بسيار کوچک است، به کوچکي يک ميليونيم يک تريليونيم متر؛ اندازه‌اي که عملا قابل‌اندازه‌گيري نيست. اگر باريکه‌اي از الکترون‌هاي سريع با انرژي بالا را به ‌طرف الکترون‌هاي هدف شليک کنيم، در فاصله‌اي معين به‌ واسطه نيروهاي متقابل موجود، الکترون‌ها از مسير اوليه خود منحرف مي‌شوند. بر مبناي کوتاه‌ترين فاصله و محاسبات دقيق فيزيک‌دانان اندازه الکترون و نيز بار الکتريکي را که حمل مي‌کند، پيدا مي‌کنند. يک الکترون نزديک‌ترين چيز به مفهوم فيزيکي مجرد است که آن را ذره نقطه‌اي مي‌ناميم. همان نقطه هندسي بدون بُعد با جرمي معين که خود يکي از مفاهيم بنيادي در فيزيک کلاسيک است.در قياسي ملموس نسبت جرم الکترون به يک پشه برابر است با نسبت جرم پشه به جرم ستاره‌اي هم‌جرم خورشيد. جان کلام اينکه در ميان تمام ذرات بنيادي شناخته‌شده با جرم متناهي، الکترون از کوچک‌ترين‌ها و سبک‌ترين‌ها است. اهميت اصلي الکترون نه در جرم آن بلکه در بار الکتريکي آن است. واحد بار الکتريکي کولن ناميده مي‌شود. مقدار بار الکتريکي براي يک الکترون از مقياس 10 به توان منفي 19 است؛ عددي بسيار کوچک که طبق قرارداد علامت آن هم منفي است.يک ماشين‌حساب خيلي کوچک را تصور کنيد که با يک باتري يک‌و‌نيم‌ولتي کار مي‌کند و مصرفش هم از مقياس پنج ده‌هزارم وات است. اين ماشين‌حساب کوچک با يک جريان بسيار کم برحسب آمپر کار مي‌کند. درواقع عبور 2.5 تريليون الکترون از مدار الکترونيکي آن در هر يک‌هزارم ثانيه.اندازه بار الکتريکي يک الکترون همان تعريف اصلي واحد بار الکتريکي براي تمام ذرات، اتم‌هاي يونيده و مولکول‌ها است. از اين قاعده که به قاعده کوانتش بار موسوم است، هيچ انحرافي وجود ندارد. بار تمام ذرات شناخته‌شده مضرب صحيحي يا مضربي کسري (کسر گويا) از بار الکترون است که با نماد q نشان مي‌دهند. احتمالا نام کوارک‌ها به گوشتان خورده است؛ ذرات سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها. هر پروتون و هر نوترون، هر‌يک از سه کوارک بالا يا پايين ساخته ‌شده‌اند. بار الکتريکي کوارک‌ها مضربي از بار الکترون است به‌گونه‌اي که در نهايت نوترون ذره‌اي بدون بار و پروتون يک واحد بار مثبت دارد.يکي ديگر از خواص اساسي الکترون، پايداري آن است. خاصيتي که فقط تعداد اندکي از ذرات بنيادي دارند. الکترون‌ها تحت هيچ شرايطي به ذرات کوچک‌تر ديگر تبديل نمي‌شوند. در ميان تمام ذرات بنيادي شناخته‌شده با جرم غير صفر، الکترون از سبک‌ترين ذرات محسوب مي‌شود. همچنين الکترون از قديمي‌ترين (اگر نه قديمي‌ترين) ذرات بنيادي به شمار مي‌رود. گويي الکترون‌هاي ريز و تيزپا از همان لحظات اول پيدايش عالم بوده‌اند و خواهند بود.