فنی و مهندسی

نظریه اتمی

سه دایره متحدالمرکز در مورد یک هسته ، با یک الکترون از دایره دوم به دایره اول حرکت می کند و یک فوتون آزاد می کند

مدل بور از اتم ، حالات الکترون با انرژی را که توسط عدد n کوانتیزه می شود ، نشان می دهد. الکترون که به مدار پایین می رود فوتونی برابر با اختلاف انرژی بین مدارها ساطع می کند. تاریخچه مهندسی ( قرون وسطی )

تا سال 1914 ، آزمایش های ارنست رادرفورد ، هنری موزلی ، جیمز فرانک و گوستاو هرتز ، فیزیکدانان ، ساختار اتم را به عنوان یک هسته متراکم از بار مثبت احاطه شده توسط الکترون های جرم کم ، تا حد زیادی ثابت کرده بود. در سال 1913 ، نیلز بور ، فیزیکدان دانمارکی فرض کرد که الکترونها در حالتهای انرژی کوانتیزه قرار دارند ، و انرژی آنها توسط حرکت زاویه ای مدار الکترون در مورد هسته تعیین می شود. الکترون ها می توانند با انتشار یا جذب فوتون های فرکانس های خاص ، بین آن حالت ها یا مدارها حرکت کنند. با استفاده از این مدارهای کوانتیزه شده ، او به طور دقیق خطوط طیفی اتم هیدروژن را توضیح داد. با این حال ، مدل بور نتوانست شدت نسبی خطوط طیفی را حساب کند و در توضیح طیف اتم های پیچیده تر ناموفق بود.

پیوندهای شیمیایی بین اتم ها توسط گیلبرت نیوتون لوئیس توضیح داده شد ، وی در سال 1916 پیشنهاد کرد که پیوند کووالانسی بین دو اتم توسط یک جفت الکترون مشترک بین آنها حفظ شود. بعداً ، در سال 1927 ، والتر هایتلر و فریتز لندن توضیحات کامل الکترون را ارائه دادند. تشکیل جفت و پیوند شیمیایی از نظر مکانیک کوانتوم در سال 1919 ، ایروینگ لانگمور ، شیمی دان آمریکایی ، مدل ایستایی اتمی لوئیس را شرح داد و پیشنهاد کرد که همه الکترونها در "پوسته های کروی متحدالمرکز (تقریبا) کروی ، با ضخامت برابر" توزیع شده اند. . به نوبه خود ، او پوسته ها را به تعدادی سلول تقسیم کرد که هر کدام حاوی یک جفت الکترون بودند. با استفاده از این مدل ، لانگمویر توانست کیفیت مواد شیمیایی همه عناصر موجود در جدول تناوبی را که به طور گسترده ای مطابق قانون ادواری تکرار می شوند ، توضیح دهد.

در سال 1924 ، ولفگانگ پائولی ، فیزیکدان اتریشی مشاهده کرد که ساختار پوسته مانند اتم را می توان با مجموعه ای از چهار پارامتر که هر حالت انرژی کوانتومی را تعریف می کند ، توضیح داد ، به شرطی که هر دولت بیش از یک الکترون واحد اشغال نکند. این ممنوعیت دربرابر بیش از یک الکترون که حالت انرژی کوانتومی یکسانی را اشغال می کند ، به عنوان اصل حذف Pauli شناخته شد. مکانیسم فیزیکی برای توضیح پارامتر چهارم ، که دارای دو مقدار ممکن متمایز بود ، توسط فیزیکدانان هلندی ساموئل گودسمیت و جورج اولنبک تهیه شد. در سال 1925 ، آنها پیشنهاد کردند که یک الکترون علاوه بر حرکت زاویه ای مدار خود ، دارای یک حرکت زاویه ای ذاتی و یک گشتاور دو قطبی مغناطیسی است. این همانند چرخش زمین در محور آن هنگام چرخش به خورشید است. حرکت زاویه ای ذاتی به چرخش معروف شد ، اتم و تقسیم اسرارآمیز خطوط طیفی مشاهده شده با یک طیف سنج با وضوح بالا را توضیح داد. این پدیده به عنوان تقسیم ساختار خوب شناخته می شود

در سال 1892 هندریک لورنتز اظهار داشت که جرم این ذرات (الکترون ها) می تواند نتیجه بار الکتریکی آنها باشد.

جی جی تامسون

هانری بکرل ، فیزیکدان فرانسوی ، هنگام مطالعه مواد معدنی فلورسانس طبیعی ، در سال 1896 کشف کرد که آنها بدون هیچ گونه تماس با منبع انرژی خارجی تابش می کنند. این مواد رادیواکتیو مورد توجه دانشمندان قرار گرفت ، از جمله ارنست رادرفورد ، فیزیکدان نیوزیلندی که کشف کرد ذرات منتشر می شود. وی این ذرات را آلفا و بتا بر اساس توانایی آنها برای نفوذ در ماده تعیین کرد. در سال 1900 ، بکرل نشان داد که اشعه های بتا ساطع شده توسط رادیوم می تواند توسط یک میدان الکتریکی منحرف شود و نسبت جرم به بار آنها همانند اشعه کاتد است. این شواهد این دیدگاه را که الکترونها به عنوان اجزای اتم وجود دارند ، تقویت کرد.

در سال 1897 ، فیزیکدان انگلیسی J. J. Thomson ، به همراه همکارانش جان S. Townsend و H. A. Wilson ، آزمایشاتی را انجام دادند که نشان می دهد پرتوهای کاتد در واقع ذرات منحصر به فردی بودند ، نه موج ، اتم یا مولکول که قبلاً اعتقاد داشتند. تامسون هم بار شارژ e و هم جرم m را تخمین زد ، و دریافت که ذرات پرتوی کاتد ، که آنها را "پیکره ها" نامید ، شاید یک هزارم جرم کمترین جرم یون شناخته شده را داشته باشد: هیدروژن. او نشان داد که نسبت بار به جرم آنها ، e / m ، مستقل از مواد کاتد است. وی همچنین نشان داد که ذرات با بار منفی تولید شده توسط مواد رادیواکتیو ، مواد گرم شده و مواد روشن جهانی هستند. نام الکترون برای این ذرات توسط جامعه علمی اتخاذ شد ، دلیل اصلی آن حمایت طرفداران G.F. FitzGerald ، J. Larmor و H. A. Lorentz بود . مهندسی در عصر مدرن

رابرت میلیکان

بار الکترون با دقت بیشتری توسط فیزیکدانان آمریکایی رابرت میلیکان و هاروی فلچر در آزمایش افت روغن در سال 1909 اندازه گیری شد که نتایج آن در سال 1911 منتشر شد. در این آزمایش از یک میدان الکتریکی برای جلوگیری از سقوط قطره باردار روغن استفاده شد نتیجه گرانش. این دستگاه می تواند بار الکتریکی را از 1 تا 150 یون با حاشیه خطای کمتر از 0.3? اندازه گیری کند. آزمایشات مقایسه ای قبلاً توسط تیم تامسون با استفاده از ابرهایی از قطرات آب باردار تولید شده توسط الکترولیز انجام شده بود و در سال 1911 توسط آبرام ایوفه ، که به طور مستقل نتیجه مشابه میلیکان را با استفاده از ریز ذرات باردار فلزات بدست آورد ، سپس نتایج خود را در سال 1913 منتشر کرد. با این حال ، قطرات روغن به دلیل سرعت تبخیر کندتر نسبت به قطرات آب پایدارتر بودند و بنابراین برای آزمایش دقیق در مدت زمان طولانی مناسب ترند.

حدود اوایل قرن بیستم ، مشخص شد که تحت شرایط خاص ، یک ذره باردار با سرعت بالا باعث میعان بخار آب فوق اشباع در طول مسیر خود می شود. در سال 1911 ، چارلز ویلسون با استفاده از این اصل محفظه ابر خود را ابداع کرد تا بتواند از رد ذرات باردار مانند الکترونهای سریع حرکت عکاسی کند.

استونی ابتدا واژه الکترولیون را در سال 1881 ابداع کرد. ده سال بعد ، وی برای توصیف این بارهای ابتدایی به الکترون روی آورد و در سال 1894 نوشت: "... برآوردی از مقدار واقعی این قابل توجه ترین واحد اساسی برق انجام شد ، که برای آن من از آن زمان شروع به پیشنهاد نام الکترون کردم. پیشنهاد 1906 برای تغییر الکترون به دلیل آنکه هندریک لورنتس ترجیح داد الکترون را نگه دارد ، ناموفق بود. کلمه الکترون ترکیبی از کلمات الکتریکی و یونی است. پسوند -on که اکنون برای تعیین ذرات زیر اتمی دیگر مانند پروتون یا نوترون استفاده می شود ، به نوبه خود از الکترون مشتق شده است.شاخه های اصلی مهندسی

کشف الکترونهای آزاد خارج از ماده

یک لوله خلاuum شیشه ای گرد با یک پرتو دایره ای درخشان در داخل

پرتوی الکترون ها توسط یک میدان مغناطیسی در یک دایره منحرف می شوند

جولیوس پلوکر ، فیزیکدان آلمانی هنگام مطالعه هدایت الکتریکی در گازهای نادر ، در سال 1859 مشاهده کرد که نور فسفر ، که در اثر تشعشع ساطع شده از کاتد ایجاد شده است ، در دیواره لوله نزدیک کاتد ظاهر می شود و می توان منطقه نور فسفر را جابجا کرد. با استفاده از یک میدان مغناطیسی. در سال 1869 ، دانش آموز پلاکر ، یوهان ویلهلم هیتورف دریافت که یک جسم جامد بین کاتد و فسفرسانس قرار دارد و روی ناحیه فسفر لوله سایه می اندازد. هیتورف استنباط کرد که پرتوهای مستقیمی از کاتد ساطع می شود و فسفرسانس در اثر برخورد اشعه ها به دیواره های لوله ایجاد شده است. در سال 1876 ، اوژن گلدشتاین ، فیزیکدان آلمانی نشان داد که اشعه ها عمود بر سطح کاتد ساطع می شوند ، این تفاوت بین پرتوهای منتشر شده از کاتد و نور رشته ای است. گلدشتاین اشعه ها را پرتوهای کاتدی لقب داده است.

در طول دهه 1870 ، سر ویلیام کروکس ، شیمی دان و فیزیکدان انگلیسی اولین لوله پرتوی کاتد را ایجاد کرد که در آن خلا high زیادی وجود دارد. وی سپس در سال 1874 نشان داد که پرتوهای کاتد وقتی در مسیر قرار بگیرند می توانند یک چرخ کوچک پارو بزنند. بنابراین ، او نتیجه گرفت که اشعه ها حرکت حرکت می کنند. علاوه بر این ، با استفاده از یک میدان مغناطیسی ، او قادر به منحرف کردن اشعه ها بود ، در نتیجه نشان داد که پرتو رفتاری مانند بار منفی دارد. در سال 1879 ، وی پیشنهاد کرد که این خصوصیات را می توان با توجه به اشعه کاتد به عنوان متشکل از مولکولهای گازی با بار منفی در حالت چهارم ماده که در آن مسیر آزاد ذرات به قدری طولانی است که ممکن است برخوردها نادیده گرفته شود ، توضیح داد.: 394-395الکتریسیته

آرتور شوستر فیزیکدان انگلیسی متولد آلمان با قرار دادن صفحات فلزی به موازات اشعه کاتد و استفاده از پتانسیل الکتریکی بین صفحات ، آزمایش کروکس را گسترش داد. این میدان با ارائه شواهد دیگری مبنی بر حمل بار منفی اشعه ، پرتوهای را به سمت صفحه دارای بار مثبت منحرف کرد. شوستر با اندازه گیری مقدار انحراف برای سطح معینی جریان ، در سال 1890 توانست نسبت بار به جرم [c] اجزای پرتو را تخمین بزند. با این حال ، این یک مقدار بیش از هزار برابر بیشتر از آنچه انتظار می رفت تولید کرد ، بنابراین اعتبار کمی به محاسبات او در آن زمان داده شد

فعل و انفعالات مربوط به الکترونها با سایر ذرات زیر اتمی در زمینه هایی مانند شیمی و فیزیک هسته ای مورد توجه است. اثر متقابل نیروی کولن بین پروتونهای مثبت درون هسته های اتمی و الکترونهای منفی فاقد ، امکان ترکیب این دو را به عنوان اتم فراهم می کند. یونیزاسیون یا تفاوت در نسبت الکترونهای منفی در برابر هسته های مثبت ، انرژی اتصال سیستم اتمی را تغییر می دهد. تبادل یا تقسیم الکترونها بین دو یا چند اتم علت اصلی پیوند شیمیایی است. در سال 1838 ، فیلسوف طبیعی انگلیس ، ریچارد لمینگ ، برای توضیح خصوصیات شیمیایی اتم ها ، ابتدا مفهوم مقدار غیر قابل تقسیم بار الکتریکی را فرض کرد. جورج جانستون استونی ، فیزیکدان ایرلندی این بار را در سال 1891 "الکترون" نامید و جی جی تامسون و تیم وی از فیزیکدانان انگلیسی در سال 1897 در آزمایش لوله اشعه کاتد ، آن را به عنوان یک ذره شناسایی کردند. الکترون ها همچنین می توانند در واکنش های هسته ای مانند نوکلئوسنتز در ستاره ها ، جایی که به عنوان ذرات بتا شناخته می شوند ، شرکت کنند. الکترون ها می توانند از طریق فروپاشی بتا ایزوتوپ های رادیواکتیو و در برخورد با انرژی زیاد ایجاد شوند ، به عنوان مثال وقتی پرتوهای کیهانی وارد جو می شوند. ضد ذره الکترون پوزیترون نامیده می شود. این یکسان با الکترون است با این تفاوت که بار الکتریکی علامت مخالف را حمل می کند. وقتی الکترون با پوزیترون برخورد می کند ، می توان هر دو ذره را از بین برد و فوتون های پرتوی گاما تولید کرد. طراحی و روش مهندسی

کشف اثر نیروی الکتریکی

یونانیان باستان متوجه شدند که عنبر هنگام مالش با خز اجسام کوچک را به خود جلب می کند. همراه با رعد و برق ، این پدیده یکی از اولین تجربه های ثبت شده برق در مورد بشریت است. ویلیام گیلبرت دانشمند انگلیسی در رساله De Magnete خود در سال 1600 اصطلاح جدید لاتین Electrica را ابداع کرد تا به آن دسته از موادی با خاصیت مشابه کهربا اشاره کند که پس از مالش اشیا small کوچک را به خود جلب می کند. [15] هم برق و هم از لاتین ?lectrum (ریشه آلیاژی به همین نام) نیز گرفته شده است که از واژه یونانی کهربا ، ?λεκτρον (ronlektron) گرفته شده است. مهندسی بین رشته ای

کشف دو نوع اتهام

در اوایل دهه 1700 شارل فرانسوا دو فای شیمی دان فرانسوی دریافت که اگر یک برگ طلای باردار توسط شیشه مالیده شده با ابریشم دفع شود ، همان برگ طلای باردار توسط عنبر مالیده شده با پشم جذب می شود. از این نتایج و سایر نتایج آزمایشات مشابه ، دو فی نتیجه گیری کرد که برق از دو مایعات الکتریکی تشکیل شده است ، مایع شیشه ای شیشه مالیده شده با ابریشم و مایع رزینی از عنبر مالیده شده با پشم. این دو مایعات هنگام ترکیب می توانند یکدیگر را خنثی کنند. بعداً دانشمند آمریکایی ، ابنزر کینرزلی نیز به طور مستقل به همین نتیجه رسید.: 118 یک دهه بعد بنیامین فرانکلین اظهار داشت که الکتریسیته از انواع مختلف مایع الکتریکی نیست ، بلکه یک مایع الکتریکی بیش از حد (+) یا کمبود (-) است. او به ترتیب نام مدرن بار مثبت و منفی را به آنها داد. فرانکلین تصور می کرد که کامیون شارژ مثبت است ، اما او به درستی مشخص نکرد که کدام یک از شرایط مازاد شارژ باتری است و کدام یک از کسری ها.

بین سالهای 1838 و 1851 ، ریچارد لمینگ ، فیلسوف طبیعی بریتانیا این ایده را ایجاد کرد که یک اتم از هسته ماده ای احاطه شده توسط ذرات زیر اتمی تشکیل شده است که دارای بارهای الکتریکی واحدی هستند. ویلیام وبر ، فیزیکدان آلمانی با آغاز این کار در سال 1846 ، نظریه پردازی کرد که الکتریسیته از نظر مثبت و منفی تشکیل شده است. مایعات باردار ، و فعل و انفعالات آنها توسط قانون مربع معکوس اداره می شود. پس از مطالعه پدیده الکترولیز در سال 1874 ، جورج جانستون استونی ، فیزیکدان ایرلندی پیشنهاد کرد که "یک مقدار مشخص و مشخص از الکتریسیته" وجود دارد که شارژ یون یک ظرفیتی است. وی با استفاده از قوانین الکترولیز فارادی توانست ارزش این بار ابتدایی را تخمین بزند. با این حال ، استونی معتقد بود که این اتهامات به طور دائمی به اتم ها متصل است و نمی توان آنها را حذف کرد. در سال 1881 ، هرمان فون هلمهولتز ، فیزیکدان آلمانی استدلال کرد که بارهای مثبت و منفی به دو قسمت اساسی تقسیم می شوند ، که هر یک "مانند اتم های برق رفتار می کنند".