کشف ازالکترون و انشعابات آن

اشعه کاتدی

پرتوهای کاتدی سایه ای از صلیب مالتی را در لوله کروکس، که توسط یک سیم پیچ Ruhmkorff تغذیه می شود، می اندازد.(بیشتر)

اگرچه در قرن نوزدهم پس از ماکسول، اهمیت کمی به نظریه الکترومغناطیسی اضافه شد، کشف الکترون در سال 1898 حوزه کاملاً جدیدی از مطالعه را باز کرد: ماهیت بار الکتریکی و خود ماده. کشف الکترون حاصل مطالعات جریان های الکتریکی در این کشور بودلوله های خلاء .هاینریش گایسلر ، شیشه‌کشی که به فیزیکدان آلمانی کمک کردژولیوس پلوکر ، لوله خلاء را در سال 1854 بهبود بخشید. چهار سال بعد، پلوکر دو الکترود را در داخل لوله مهر و موم کرد، هوا را تخلیه کرد و جریان های الکتریکی را بین الکترودها ایجاد کرد. او درخشش سبز رنگی که روی دیواره لوله ظاهر می شود را به پرتوهای ساطع شده از لوله نسبت دادکاتد . از آن زمان تا پایان قرن، خواص تخلیه اشعه کاتدی به شدت مورد مطالعه قرار گرفت. کار فیزیکدان انگلیسیسر ویلیام کروکس در سال 1879 نشان داد که لومینسانس یکی از ویژگی های خود جریان الکتریکی است. کروکس به این نتیجه رسید که پرتوها از ذرات باردار برق دار تشکیل شده اند. در سال 1898 یک فیزیکدان انگلیسی دیگر،سر جی جی تامسون ، یک پرتو کاتدی را به عنوان جریانی از ذرات با بار منفی شناسایی کرد که هر کدام دارای جرمی 1/1836 کوچکتر از جرم یون هیدروژن هستند . کشف تامسون ماهیت ذرات بار را مشخص کرد. ذرات او بعداً الکترون نامیده شدند .

پس از کشف الکترون، نظریه الکترومغناطیسی به بخشی جدایی ناپذیر از نظریه های ساختار اتمی، زیر اتمی و زیر هسته ای ماده تبدیل شد. این تغییر تمرکز در نتیجه بن بست بین نظریه الکترومغناطیسی ومکانیک آماری در تلاش برای درک تشعشعات اجسام داغتابش حرارتی در آلمان توسط این فیزیکدان بررسی شده بودویلهلم وین بین سالهای 1890 و 1900. وین تقریباً منابع خود را به پایان رسانده بود.ترمودینامیک در برخورد با این مشکل. دو دانشمند انگلیسیلرد ریلی (جان ویلیام استروت) وسر جیمز هاپوود جین ، تا سال 1900 علم تازه توسعه یافته مکانیک آماری را برای همین مسئله به کار برد. آنها نتایجی را به دست آوردند که، اگرچه با نتایج ترمودینامیکی وین (متمایز از بسط های نظری ترمودینامیک او ) مطابقت داشت، تنها تا حدی با مشاهدات تجربی موافق بود. فیزیکدان آلمانیماکس پلانک تلاش کرد تا رویکرد آماری را با رویکرد ترمودینامیکی ترکیب کند. با تمرکز بر ضرورت تطبیق داده‌های تجربی، او به فرمول‌بندی یک قانون تجربی هدایت شد که معیارهای ترمودینامیکی وین را برآورده می‌کرد و داده‌های تجربی را در خود جای می‌داد. وقتی پلانک این قانون را بر اساس مفاهیم آماری ریلی تفسیر کرد، نتیجه گرفت که تابش فرکانس ν فقط درکوانتومی انرژی نتیجه پلانک، از جمله معرفی ثابت جهانی جدید h در سال 1900، شالوده مکانیک کوانتومی را نشان داد و یک تغییر عمیق در نظریه فیزیکی را آغاز کرد ( به اتم: مدل پوسته بور مراجعه کنید ).

در سال 1900 آشکار شد که الکترون‌های تامسون یک ترکیب جهانی از ماده هستند و بنابراین، ماده اساساً در طبیعت الکتریکی است. در نتیجه، در سال‌های اولیه قرن بیستم، بسیاری از فیزیکدانان تلاش کردند تا نظریه‌هایی درباره خواص الکترومغناطیسی فلزات ، عایق‌ها و مواد مغناطیسی بر حسب الکترون بسازند. در سال 1909 فیزیکدان هلندیهندریک آنتون لورنتز در تئوری الکترون ها و کاربردهای آن در پدیده نور و گرمای تابشی موفق به انجام این کار شد . کار او از آن زمان توسط نظریه کوانتومی اصلاح شده است.

نظریه نسبیت خاص

دیگر پیشرفت مفهومی عمده در نظریه الکترومغناطیسی نظریه نسبیت خاص بود . در زمان ماکسول، دیدگاه مکانیکی از جهان هستی تحت تأثیر قرار داشت. صدا به عنوان حرکت موجی هوا تعبیر می شد، در حالی که نور و سایر امواج الکترومغناطیسی به عنوان حرکات موجی یک محیط ناملموس در نظر گرفته می شدند.اتر . این سوال مطرح شد که آیا سرعت نور اندازه گیری شده توسط ناظری که نسبت به اتر حرکت می کند تحت تأثیر حرکت او قرار می گیرد یا خیر .آلبرت آبراهام مایکلسون و ادوارد دبلیو مورلی از ایالات متحده در سال 1887 نشان داده بودند که نور در خلاء روی زمین با سرعت ثابتی حرکت می کند که مستقل از جهت نور نسبت به جهت حرکت زمین از طریق اتر است. لورنتس وهانری پوانکاره ، فیزیکدان فرانسوی، بین سالهای 1900 و 1904 نشان داد که نتیجه گیری مایکلسون و مورلی با معادلات ماکسول مطابقت دارد . بر این اساس، لورنتس و پوانکاره نظریه نسبیت را توسعه دادند که در آن حرکت مطلق یک جسم نسبت به یک اتر فرضی دیگر قابل توجه نیست. پوانکاره در یک سخنرانی در نمایشگاه سنت لوئیس در سپتامبر 1904 این نظریه را اصل نسبیت نامید. پلانک دو سال بعد اولین فرمول دینامیک نسبیتی را ارائه کرد . با این حال، کلی‌ترین صورت‌بندی نظریه نسبیت خاص توسط آن ارائه شداینشتین در سال 1905، و نظریه نسبیت معمولاً با نام او مرتبط است. اینشتین فرض کرد که سرعت نور یک ثابت است و مستقل از حرکت منبع نور است و نشان داد که چگونه قوانین مکانیک نیوتنی باید اصلاح شوند. در حالی که ماکسول الکتریسیته و مغناطیس را در یک نظریه ترکیب کرده بود، آنها را اساساً دو پدیده وابسته به هم می دانست. انیشتین نشان داد که آنها دو جنبه از یک پدیده هستند.

معادلات ماکسول، نظریه نسبیت خاص، کشف ساختار الکترونیکی ماده ، و فرمول بندی مکانیک کوانتومی همگی قبل از سال 1930 رخ داده اند.تئوری الکترودینامیک کوانتومی که بین سالهای 1945 و 1955 توسعه یافت، متعاقباً برخی اختلافات جزئی را در محاسبات برخی از خواص اتمی حل کرد. به عنوان مثال، دقتی که اکنون می توان با آن یکی از اعداد توصیف کننده گشتاور مغناطیسی الکترون را محاسبه کرد، با اندازه گیری فاصله بین شهر نیویورک و لس آنجلس به ضخامت یک موی انسان قابل مقایسه است . در نتیجه الکترودینامیک کوانتومی کامل ترین و دقیق ترین نظریه هر پدیده فیزیکی است. مطابقت قابل توجه بین نظریه و مشاهده، آن را در بین تلاش های بشری منحصر به فرد می کند.