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इलेक्ट्रॉन की खोज

कम दाब की विसर्जन नलियों में कैथोड से किरणें निकलती थीं। ये कैथोड किरणें सीधी रेखा में चलती हैं, ऋण आवेश ले जाती हैं और विद्युत व चुंबकीय क्षेत्रों से मुड़ती हैं। इलेक्ट्रॉन गन में गरम तंतु तापायनिक उत्सर्जन से इलेक्ट्रॉन छोड़ता है और एनोड वोल्टता V उन्हें तेज़ करती है: eV = ½mv²। जे. जे. थॉमसन ने विद्युत क्षेत्र को चुंबकीय क्षेत्र से संतुलित किया ताकि किरण सीधी रहे: v = E/B। फिर e/m = v² ÷ 2V ≈ 1.76 × 10¹¹ C kg⁻¹, हाइड्रोजन आयन से लगभग 1800 गुना — यानी कण बहुत हल्का है और हर धातु में एक-सा है। मिलिकन ने आवेशित तेल की बूँदों को प्लेटों के बीच संतुलित किया (QV/d = mg) और पाया कि हर आवेश e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C का पूर्ण गुणज है: आवेश क्वांटीकृत है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. कम हवा वाली काँच की नली में कैथोड से किरणें निकलती हैं। रास्ते में रखा क्रॉस तीखी छाया बनाता है।
  2. कैथोड गरम करो: इलेक्ट्रॉन उबलकर निकलते हैं। एनोड उन्हें खींचता है और वे तेज़ होते हैं।
  3. विद्युत क्षेत्र किरण को ऊपर मोड़ता है, चुंबकीय क्षेत्र नीचे। दोनों बराबर करो: किरण सीधी।
  4. चाल और वोल्टता से e/m मिलता है। यह बहुत बड़ा है, तो कण बहुत छोटा है: इलेक्ट्रॉन।
  5. मिलिकन: प्लेट वोल्टता इतनी करो कि तेल की बूँद रुक जाए। उसका आवेश हमेशा e का पूर्ण गुणज।
  6. अब तुम: वोल्टता और आवेश बदलो। बूँद को ऊपर, नीचे या स्थिर करो।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

किरणें अदृश्य हैं तो लोगों ने उन्हें कैसे देखा?

जहाँ वे टकराती हैं वहाँ काँच या प्रतिदीप्त पर्दा चमकता है, और रास्ते की वस्तुएँ छाया बनाती हैं।

कैथोड गरम क्यों करना पड़ता है?

इलेक्ट्रॉन धातु के अंदर बँधे हैं। गरमी कुछ को सतह से निकलने लायक ऊर्जा देती है।

दोनों क्षेत्र चालू होने पर किरण सीधी क्यों?

विद्युत बल एक ओर और चुंबकीय बल दूसरी ओर धकेलता है। eE = Bev होने पर दोनों कट जाते हैं।

बड़े e/m का अर्थ छोटा द्रव्यमान क्यों?

अगर आवेश आयन जितना ही है, तो 1800 गुना बड़ा मान = लगभग 1800 गुना छोटा द्रव्यमान।

मिलिकन को बूँद का द्रव्यमान कैसे पता चला?

बिना क्षेत्र के बूँद गिराई। उसके स्थिर (सीमांत) वेग और स्टोक्स नियम से त्रिज्या और फिर द्रव्यमान निकाला।

बूँद केवल एक ही वोल्टता पर क्यों रुकती है?

केवल एक V पर QV/d ठीक mg के बराबर होता है। उससे ज़्यादा पर बूँद ऊपर, कम पर नीचे जाती है।

कैथोड किरणें

1800 के दशक में वैज्ञानिकों ने लगभग हवा निकाली हुई काँच की नली (विसर्जन नली) पर ऊँची वोल्टता लगाई। गैस चमकी, और बहुत कम दाब पर कैथोड (ऋण इलेक्ट्रोड) के सामने वाले काँच पर चमक दिखी। कैथोड से कुछ आ रहा था: कैथोड किरणें।

विसर्जन नली में धन आयन कैथोड से टकराकर इलेक्ट्रॉन निकालते हैं; चमक टक्करों से उत्तेजित परमाणुओं के प्रकाश देने से आती है।

इलेक्ट्रॉनों का तापायनिक उत्सर्जन

धातु गरम करने पर कुछ मुक्त इलेक्ट्रॉन सतह से निकलने लायक ऊर्जा पा लेते हैं। यह तापायनिक उत्सर्जन है। इलेक्ट्रॉन गन में कम वोल्टता की धारा से गरम तंतु निर्वात में इलेक्ट्रॉन छोड़ता है। ऊँची वोल्टता V पर धन एनोड उन्हें खींचता है; एनोड का छेद पतली किरण को आगे जाने देता है।

क्षेत्र द्वारा किया गया कार्य = गतिज ऊर्जा में वृद्धि:

eV = ½ m v², तो v = √(2eV ÷ m)।

निर्वात ज़रूरी है ताकि इलेक्ट्रॉन गैस परमाणुओं से न टकराएँ। 1 इलेक्ट्रॉन-वोल्ट (1 eV) = 1.6 × 10⁻¹⁹ J — 1 V से गुज़रकर इलेक्ट्रॉन को मिली ऊर्जा।

इलेक्ट्रॉन का विशिष्ट आवेश (e/m)

विशिष्ट आवेश = आवेश ÷ द्रव्यमान (C kg⁻¹)।

विधि 1: परस्पर लंब क्षेत्र (थॉमसन)

किरण प्लेटों के बीच (क्षेत्र E = V_p ÷ d) और समकोण पर चुंबकीय क्षेत्र B से गुज़रती है। विद्युत बल eE एक ओर, चुंबकीय बल Bev दूसरी ओर। इतना बदलो कि किरण न मुड़े: eE = Bev → v = E ÷ B। यह v, eV = ½mv² में रखो:

e/m = v² ÷ 2V = E² ÷ (2VB²)

विधि 2: चुंबकीय क्षेत्र में वृत्ताकार पथ

केवल चुंबकीय क्षेत्र में किरण वृत्त में चलती है (फ़ाइन-बीम नली): Bev = mv² ÷ r, तो r = mv ÷ Be। eV = ½mv² से v लेकर: e/m = 2V ÷ (B² r²)।

यह क्यों महत्त्वपूर्ण था

थॉमसन को e/m ≈ 1.76 × 10¹¹ C kg⁻¹ मिला — हाइड्रोजन आयन (तब का सबसे बड़ा ज्ञात, 9.6 × 10⁷ C kg⁻¹) से लगभग 1800 गुना। या तो आवेश बहुत बड़ा था या द्रव्यमान बहुत छोटा। बाद में साफ़ हुआ कि द्रव्यमान बहुत छोटा है: इलेक्ट्रॉन हर परमाणु के अंदर का कण है।

मिलिकन की तेल-बूँद: e का मापन

दो क्षैतिज प्लेटों (दूरी d) के बीच तेल की बहुत छोटी बूँदें छिड़की जाती हैं। कुछ घर्षण से (या X-किरणों से) आवेश पा लेती हैं।

  1. क्षेत्र बंद: बूँद गिरती है और जल्दी सीमांत वेग v पा लेती है, जब भार = हवा का खिंचाव। स्टोक्स नियम से खिंचाव = 6πηrv। mg = (4/3)πr³ρg से: r = √(9ηv ÷ 2ρg)। इससे बूँद की त्रिज्या और द्रव्यमान मिलता है।
  2. क्षेत्र चालू: वोल्टता V तब तक बदलो जब तक बूँद स्थिर न हो जाए। तब विद्युत बल = भार: QV ÷ d = mg, तो Q = mgd ÷ V।

मिलिकन ने बहुत सी बूँदें नापीं। हर आवेश 1.6 × 10⁻¹⁹ C का पूर्ण गुणज निकला। तो आवेश क्वांटीकृत है और सबसे छोटा आवेश e एक इलेक्ट्रॉन का आवेश है। e/m ज्ञात होने से इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान m = 9.11 × 10⁻³¹ kg।

खुद करो: गुब्बारे से धार मोड़ो

सूखे बालों पर गुब्बारा रगड़ो और नल की पतली धीमी धार के पास लाओ। धार मुड़ जाती है: आवेश पर विद्युत बल लगता है, ठीक जैसे प्लेटों के बीच किरण पर। 3D के आख़िरी चरण में n = 2 रखकर वह वोल्टता ढूँढो जिस पर बूँद रुके; V = mgd ÷ Q से जाँचो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक इलेक्ट्रॉन 500 V से त्वरित है। गतिज ऊर्जा J और eV में?

E_k = eV = 1.6 × 10⁻¹⁹ × 500 = 8.0 × 10⁻¹⁷ J = 500 eV।

2. 2000 V से त्वरित इलेक्ट्रॉन की चाल (e/m = 1.76 × 10¹¹ C kg⁻¹)?

v = √(2 × 1.76 × 10¹¹ × 2000) = √(7.04 × 10¹⁴) = 2.65 × 10⁷ m s⁻¹।

3. E = 4.0 × 10⁴ V m⁻¹ और B = 1.5 × 10⁻³ T पर किरण नहीं मुड़ती। v?

v = E ÷ B = 2.67 × 10⁷ m s⁻¹।

4. आगे: एनोड वोल्टता 2000 V थी। e/m?

e/m = v² ÷ 2V = (2.67 × 10⁷)² ÷ 4000 = 1.78 × 10¹¹ C kg⁻¹।

5. 4.9 × 10⁻¹⁵ kg की बूँद 6.0 mm दूर प्लेटों के बीच 900 V पर स्थिर है। आवेश और अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन?

Q = mgd ÷ V = 4.9 × 10⁻¹⁵ × 9.81 × 6.0 × 10⁻³ ÷ 900 = 3.2 × 10⁻¹⁹ C = 2e। दो अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन।

6. क्षेत्र बंद होने पर बूँद (ρ = 900 kg m⁻³) हवा (η = 1.8 × 10⁻⁵ Pa s) में 1.0 × 10⁻⁴ m s⁻¹ के सीमांत वेग से गिरती है। त्रिज्या?

r = √(9ηv ÷ 2ρg) = √(1.62 × 10⁻⁸ ÷ 17 658) = 9.6 × 10⁻⁷ m ≈ 1 µm।

7. फ़ाइन-बीम नली में 250 V से त्वरित इलेक्ट्रॉन B = 1.07 × 10⁻³ T में 5.0 cm त्रिज्या के वृत्त में चलते हैं। e/m?

e/m = 2V ÷ (B² r²) = 500 ÷ (2.86 × 10⁻⁹) = 1.75 × 10¹¹ C kg⁻¹।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. कैथोड किरणें हैं:
2. तापायनिक उत्सर्जन में इलेक्ट्रॉन निकलते हैं:
3. परस्पर लंब क्षेत्रों में बिना मुड़ी किरण के लिए:
4. मिलिकन ने पाया कि आवेश:
5. इलेक्ट्रॉन का विशिष्ट आवेश लगभग:

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

जे. जे. थॉमसन ने क्या खोजा?

उन्होंने दिखाया कि कैथोड किरणें कण हैं जिनका विशिष्ट आवेश हाइड्रोजन आयन से लगभग 1800 गुना है और हर धातु में एक-सा है: इलेक्ट्रॉन (1897)।

मिलिकन तेल-बूँद प्रयोग का सूत्र क्या है?

स्थिर बूँद के लिए QV/d = mg, तो Q = mgd/V। द्रव्यमान स्टोक्स नियम से सीमांत वेग द्वारा निकलता है।

तापायनिक उत्सर्जन क्या है?

गरम धातु की सतह से इलेक्ट्रॉनों का निकलना; इलेक्ट्रॉन गन, पुरानी TV नलियों और X-किरण नलियों में उपयोग।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

इंग्लैंडYear 133.12 Turning points in physics

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