J. J. Thomson’s Cathode Ray Tube Experiments

Sir Joseph John Thomson byl britský fyzik a nositel Nobelovy ceny. Proslavil se objevem elektronu. V roce 1897 prokázal, že katodové záření se skládá z velmi malých záporně nabitých částic. Tyto částice byly později pojmenovány elektrony. Přístroj jeho experimentu se nazývá katodová trubice (CRT).

J. J. Thomson nebyl jediný, kdo se zabýval katodovými paprsky, ale přispělo k nim nebo se jejich studiem zabývalo několik dalších hráčů, například Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard. Thomsonův příspěvek však zůstává významnější než příspěvky ostatních. Jeho experimentální výsledky dále zkoumali Rutherford a Bohr, což dále přineslo důležité poznatky o atomovém světě.

Katodové paprsky a katodová trubice

Předtím, než přímo přeskočíme Thomsonovy poznatky, pochopíme některé základní znalosti o katodových paprscích a katodové trubici.

Co jsou to katodové paprsky? Katodové paprsky jsou proudy elektronů emitované z katody (elektrody připojené k zápornému pólu baterie). Tyto paprsky se pohybují po přímkách a mohou být vychýleny elektrickým a magnetickým polem.

Katodová trubice (CRT) je dutá skleněná trubice. Vzduch v trubici je odčerpáván a vytváří vakuum.

Katodová trubice se skládá z následujících částí:

1. Elektronový zářič (nebo elektronové dělo): Elektronové dělo se skládá především z topného tělesa a katody. Vysílá ostrý svazek elektronů, katodové paprsky. V moderních CRT je elektronový paprsek generován termionickou emisí – pomocí topného vlákna – jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku. V Thomsonových experimentech se však používal mechanismus studené katodové emise.
2. Fokusační a urychlovací systém: Je tvořen řadou anod. Zúží paprsek a zvýší jeho kinetickou energii.
3. Deflexní systém: V tomto systému se paprsek zužuje a zvyšuje se jeho kinetická energie: Řídí směr elektronového svazku. Toho je dosaženo vnějším elektrickým a magnetickým polem. Katodové paprsky se při interakci s těmito poli ohýbají.
4. Fosforeskující povlak:

Thomsonovy experimenty

V té době neměli fyzikové jasno, zda jsou katodové paprsky nehmotné jako světlo, nebo zda jsou hmotné. Na tyto paprsky panovalo mnoho různých názorů. Podle některých jsou paprsky způsobeny nějakým procesem v éteru. Nehmotnou povahu a éterovou hypotézu katodových paprsků prokázal J. J. Thomson. Dospěl k závěru, že paprsky jsou tvořeny částicemi. Celé jeho dílo lze rozdělit do tří různých experimentů. V prvním zkoumal magnetický účinek na katodové paprsky, ve druhém paprsky vychýlil elektrickým polem. V posledním experimentu se mu podařilo změřit poměr hmotnosti a náboje.

Experiment 1: Magnetické vychylování

Aparatura experimentu se skládala ze dvou kovových válců. Válce byly umístěny koaxiálně a vzájemně izolovány. Vnější válec byl uzemněn, zatímco vnitřní byl připojen k elektrometru pro detekci případného elektrického proudu, jak je znázorněno na obrázku níže. Oba válce měly otvory nebo štěrbiny. Když byl mezi katodu (A na obrázku) a anodu (B na obrázku) přiveden vysoký rozdíl potenciálů, katodové paprsky, které vznikly v levé trubici, vyzařovaly z katody a vstupovaly do hlavní zvonové nádoby. Paprsky nevstupovaly do válců, pokud nebyly vychýleny magnetickým polem.

Dráhu paprsků sledoval pomocí fluorescence na čtvercové obrazovce ve sklenici. Když byly paprsky ohnuty magnetickým polem, pronikaly štěrbinami do válců. A v elektrometru byla zjištěna přítomnost záporného náboje. Pokud byly tyto paprsky dále ohýbány, štěrbiny přestřelily a elektrometr nezaznamenal žádné údaje. „Tento pokus tedy ukazuje, že ať už katodové paprsky zkroutíme a vychýlíme magnetickými silami jakkoli, záporné zelektrování sleduje stejnou dráhu jako paprsky a že toto záporné zelektrování je neoddělitelně spojeno s katodovými paprsky,“ citoval Thomson.

Pokus navíc opakoval s různými materiály a plyny a zjistil, že vychýlení paprsků je stejné bez ohledu na použité materiály a plyny.

Závěry

Po tomto pokusu dospěl ke dvěma hlavním bodům:

1. Katodové paprsky se magnetickým polem vychýlily stejně, jako kdyby byly tvořeny záporně nabitými částicemi.
2. Louče byly nezávislé na materiálu elektrod a plynu ve sklenici.

Experiment 2: Elektrické vychylování

První experiment skutečně prokázal chování katodových paprsků jako záporně nabitých částic v magnetickém poli. Toto tvrzení se stalo nedostatečným, když se katodové paprsky nepodařilo vychýlit v elektrickém poli. To pozoroval Hertz mnohem dříve než Thomson. To vedlo k dilematu, zda jsou katodové paprsky záporně nabité částice, či nikoli. Thomson se rozhodl pro další zkoumání pomocí dalšího experimentu.

Thomson zkonstruoval upravenou Crookesovu trubici, jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku. Když byl mezi katodu a anodu přiveden vysoký rozdíl potenciálů, vznikaly na katodě (C na obrázku) katodové paprsky. Když tyto paprsky prošly anodou (A na obrázku) a později štěrbinou B, která byla uzemněna, paprsky se zostřily. Tento úzký paprsek se šířil přes hliníkové desky (D a E) a nakonec dopadl na fosforeskující stínítko a vytvořil jasnou skvrnu. Stínítko bylo zmenšeno, takže bylo možné změřit vychýlení paprsku.

Když Hertz mezi desky přivedl elektrické pole, nezaznamenal žádné vychýlení paprsku. Proto dospěl k závěru, že na katodové paprsky nemá elektrické pole vliv.

Když po Hertzovi provedl stejný pokus Thomson, zjistil rovněž podobné výsledky. Stejný pokus zopakoval za mnohem nižšího tlaku než předchozí. Tentokrát byl paprsek vychýlen elektrickým polem. Když byla horní deska připojena ke kladnému pólu baterie a spodní deska k zápornému pólu, paprsek se vychýlil směrem vzhůru. Pokud byla polarita desek obrácená, paprsek se vychýlil směrem dolů.

Konec se mu podařilo dokázat, že paprsek nejsou nic jiného než záporně nabité částice.

Závěr

Dospěl k závěru:

Jelikož katodové paprsky nesou náboj záporné elektřiny, jsou vychylovány elektrostatickou silou, jako by byly záporně zelektrizované, a působí na ně magnetická síla právě tak, jako by tato síla působila na záporně zelektrizované těleso pohybující se po dráze těchto paprsků, nevidím úniku před závěrem, že jde o náboje záporné elektřiny nesené částicemi hmoty.

Experiment 3: Poměr hmotnosti a náboje (e/m)

Po prokázání elektrostatických vlastností katodových paprsků byl Thomson na tyto částice stále zvědavý. Uvažoval o tom, co jsou tyto částice zač, zda jsou to atomy nebo molekuly, nebo nějaké neznámé entity, které teprve objeví. Aby na tyto otázky našel odpověď, provedl třetí experiment. V tomto experimentu měřil poměr hmotnosti částic k jejich náboji.

Experimentální aparatura pro tento experiment byla stejná jako pro předchozí. Navíc aplikoval magnetické pole umístěním pólů elektromagnetu kolem trubice, jak je znázorněno na výše uvedeném obrázku.

Magnetické pole bylo aplikováno tak, aby bylo kolmé na elektrické pole i katodové paprsky. To je znázorněno na následujícím obrázku.

Zpočátku aplikoval pouze elektrické pole, které vychýlilo paprsek do určitého směru. Tuto elektrickou výchylku změřil. A poté měnil magnetické pole, dokud se paprsek nevrátil do původní dráhy, tj. zůstal neodkloněný. Za tohoto stavu se magnetická a elektrická síla vzájemně vyrušily. Jejich velikost byla stejná, ale směr opačný.

Podle níže uvedeného výrazu vypočítal poměr hmotnosti a náboje (m⁄e).

E a H jsou zde intenzita elektrického pole a intenzita magnetického pole, l je délka desek a θ je výchylka při působení pouze elektrického pole. Všechny tyto parametry byly známy.

Důkaz m/e

Nechť:

1. D je deska připojená ke kladnému pólu baterie a E připojená k zápornému pólu.
2. FE je síla, kterou působí elektrické pole.
3. FH je síla, kterou působí magnetické pole.
4. s je svislý posuv paprsku na konci desek.
5. l je délka desky.
6. θ je výchylka v elektrickém poli.
7. v je konstantní rychlost paprsku při vstupu do elektrického pole.
8. O je počátek.
9. T je doba, kterou katodové paprsky stráví v elektrickém poli.

Tento zápis je znázorněn na následujícím obrázku.

Když se elektrická a magnetická síla vzájemně vyruší, paprsky jsou nedeformované. Čistá síla působící na paprsky je tedy nulová.

Známe FE = eE a FH = -evH. Záporné znaménko ukazuje, že síly působí v opačném směru.

Posun z kinematických vzorců je

Ve směru x je počáteční rychlost v a zrychlení je nulové.

Posuneme-li hodnotu v do výše uvedené rovnice,

Když t = T, x = l.

Ve směru y je počáteční rychlost nulová, ale paprsek se při postupu v elektrickém poli zrychluje.

Zrychlení je síla dělená hmotností.

Při dosazení hodnoty a,

Když t = T, y = s.

Eliminujeme-li T,

poměr hmotnosti a náboje je tedy následující:

Pro menší hodnoty θ, .

Konec,

Hodnota poměru, kterou uvádí Thomson ve svém článku, je (1,29 ± 0,17) × 10-7.

Reciproká m⁄e udává poměr náboje k hmotnosti (e⁄m). Hodnota e⁄m doporučená CODATA je 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.

Thomson také poznamenal, že jím vypočtená hodnota m⁄e je nezávislá na plynu ve výbojce a použitém kovu katody. Tím také naznačil, že částice jsou nedílnou součástí atomů.

Poznamenal také, že hodnota m⁄e je asi 1000krát menší než hodnota vodíkových iontů. Tehdy odhadovaná hodnota m⁄e vodíkových iontů byla asi 10-4. Z toho vyplývalo, že hmotnost částic byla mnohem menší než hmotnost vodíkových iontů nebo byly silně nabité. Lenard určil, že dolet, který úzce souvisí se střední volnou dráhou pro srážky, katodového záření; byl 0,5 cm. Naproti tomu střední volná dráha molekul vzduchu byla 10-5 cm, což je ve srovnání s dosahem katodových paprsků velmi málo. Proto tvrdil, že velikost těchto částic musí být mnohem menší než molekuly vzduchu.

Závěr

Thomson tyto částice pojmenoval jako korpuskule, později byly přejmenovány na elektrony. Došel k závěru, že korpuskule jsou menší než velikost atomů a jsou nedílnou součástí atomu.

Na základě těchto experimentálních výsledků Thomson také navrhl svůj model švestkového pudinku. Byl vyznamenán Nobelovou cenou za fyziku.

Thomsonovy hypotézy

Thomson na základě svých experimentů předložil tři hypotézy.

1. Katodové záření se skládá ze záporně nabitých částic zvaných tělíska.
2. Atom se skládá z těchto tělísek.
3. Tato tělíska jsou jedinou nedílnou součástí atomu.

Třetí hypotéza se později ukázala jako chybná, když jeho vlastní student Rutherford navrhl přítomnost kladně nabitého jádra v atomu.

Související články

• Atomové číslo

.