J. J. Thomsons katodestrålerørseksperimenter

Sir Joseph John Thomson var en britisk fysiker og Nobelprismodtager. Han var kendt for opdagelsen af elektronen. I 1897 viste han, at katodestrålerør bestod af meget små negativt ladede partikler. Disse partikler blev senere kaldt elektroner. Apparatet til hans forsøg kaldes katodestrålerøret (CRT).

J. J. Thomson var ikke den eneste, der arbejdede med katodestråler, men flere andre aktører som Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes og Philipp Lenard havde bidraget eller var i gang med at studere det. Thomsons bidrag er dog stadig mere betydningsfuldt end de andres. Hans eksperimentelle resultater blev yderligere undersøgt af Rutherford og Bohr, hvilket gav yderligere vigtig indsigt i den atomare verden.

Katodestråler og katodestrålerør

Hvor vi direkte springer over Thomsons resultater, skal vi forstå noget grundlæggende viden om katodestråler og katodestrålerør.

Hvad er katodestråler? Katodestråler er strømme af elektroner, der udsendes fra katoden (den elektrode, der er forbundet med den negative pol i et batteri). Disse stråler bevæger sig i lige linjer og kan afbøjes af et elektrisk og magnetisk felt.

Katodestrålerøret (CRT) er et hult glasrør. Luften i røret pumpes ud for at skabe et vakuum.

Katodestrålerøret består af følgende dele:

1. Elektronemitter (eller elektronkanon): Elektronkanonen består primært af et varmelegeme og en katode. Den udsender den skarpe elektronstråle, katodestråler. I moderne CRT’er genereres elektronstrålen ved termionisk emission – ved hjælp af en varmefilament – som vist i ovenstående diagram. Der blev dog anvendt koldkatodeemissionsmekanisme i Thomsons eksperimenter.
2. Fokuserings- og accelerationssystem: Det består af en række anoder. Det indsnævrer strålen og øger dens kinetiske energi.
3. Defleksionssystem: Det styrer elektronstrålens retning. Dette opnås ved hjælp af et eksternt elektrisk og magnetisk felt. Katodestrålerne bøjes, når de interagerer med disse felter.
4. Phosphorescerende belægning: Det er den sidste del af katodestrålerne, hvor strålerne rammer for at skabe et glød.

Thomsons eksperimenter

Dengang var fysikerne i tvivl om, hvorvidt katodestråler var immaterielle ligesom lys eller var materielle. Der var mange forskellige holdninger til disse stråler. Ifølge nogle skyldes strålerne en eller anden proces i æteren. Katodestrålernes immaterielle natur og æterhypotesen om katodestråler blev bevist forkert af J. J. Thomson. Han konkluderede, at strålerne bestod af partikler. Hele hans arbejde kan opdeles i tre forskellige eksperimenter. I det første blev den magnetiske virkning på katodestråler undersøgt, mens strålerne i det andet blev afbøjet af et elektrisk felt. I det sidste eksperiment lykkedes det ham at måle forholdet mellem masse og ladning.

Eksperiment 1: Magnetisk afbøjning

Eksperimentets apparat bestod af to metalcylindre. Cylindrene var koaksialt placeret og isoleret fra hinanden. Den yderste cylinder var jordet, mens den inderste var forbundet til et elektrometer for at detektere en eventuel elektrisk strøm, som vist i figuren nedenfor. Begge cylindre var forsynet med huller eller slidser. Når der blev påført en høj spændingsforskel mellem katoden (A i diagrammet) og anoden (B i diagrammet), blev katodestråler, som blev produceret i det venstre rør, udsendt fra katoden og kom ind i hovedklokkeglasset. Strålerne ville ikke komme ind i cylinderne, medmindre de blev afbøjet af et magnetfelt.

Han sporede strålernes vej ved hjælp af fluorescensen på en firkantet skærm i glasset. Når strålerne blev bøjet af et magnetfelt, infiltrerede de cylinderne gennem sprækkerne. Og tilstedeværelsen af negativ ladning blev påvist i elektrometeret. Hvis disse stråler blev bøjet yderligere, gik de forbi spalterne, og elektrometeret viste ingen aflæsninger. “Således viser dette eksperiment, at uanset hvordan vi vrider og afbøjer katodestrålerne ved hjælp af magnetiske kræfter, følger den negative elektrificering den samme vej som strålerne, og at denne negative elektrificering er uløseligt forbundet med katodestrålerne”, citerede Thomson.

Dertil kommer, at han gentog eksperimentet med forskellige materialer og gasser og fandt, at afbøjningen af strålerne var den samme, uanset hvilke materialer og gasser der blev anvendt.

Konklusioner

Han nåede frem til de to hovedpunkter efter dette eksperiment.

1. Katodestråler blev afbøjet af et magnetfelt på samme måde, som hvis de bestod af negativt ladede partikler.
2. Strålerne var uafhængige af elektrodernes materiale og gassen i glasset.

Eksperiment 2: Elektrisk afbøjning

Det første eksperiment viste faktisk, at katodestråler opførte sig som negativt ladede partikler under et magnetfelt. Dette udsagn blev mangelfuldt, da katodestrålerne ikke kunne afbøjes i et elektrisk felt. Det blev observeret af Hertz længe før Thomson. Dette resulterede i et dilemma med hensyn til, om katodestråler er negativt ladede partikler eller ej. Thomson besluttede at undersøge det yderligere gennem et andet forsøg.

Thomson konstruerede et modificeret Crookes-rør som vist i ovenstående figur. Når der blev påført en høj potentialforskel mellem katode og anode, blev der dannet katodestråler ved katoden (C i diagrammet). Da disse stråler passerede gennem anoden (A i diagrammet) og senere gennem spalte B, som var jordet, blev strålerne skærpet. Denne smalle stråle spredte sig gennem aluminiumsplader (D og E) og ramte til sidst den fosforescerende skærm, hvorved der blev dannet en lysende plet. Skærmen blev skaleret, så strålens afbøjning kunne måles.

Når Hertz havde påført et elektrisk felt mellem pladerne, bemærkede han ingen afbøjning af strålen. Derfor konkluderede han, at katodestråler ikke påvirkes af et elektrisk felt.

Efter Hertz, da Thomson udførte det samme eksperiment, fandt han også de samme resultater. Han gentog det samme eksperiment under et meget lavere tryk end det foregående. Denne gang blev strålen afbøjet af et elektrisk felt. Når den øverste plade blev fastgjort til batteriets positive pol og den nederste plade til den negative pol, blev strålen afbøjet opad. Hvis pladernes polaritet blev omvendt, ville strålen afbøjes nedad.

Endeligt lykkedes det ham at bevise, at strålen ikke er andet end negativt ladede partikler.

Slutning

Han konkluderede:

Da katodestrålerne bærer en ladning af negativ elektricitet, afbøjes af en elektrostatisk kraft, som om de var negativt elektrificerede, og påvirkes af en magnetisk kraft på præcis den måde, hvorpå denne kraft ville virke på et negativt elektrificeret legeme, der bevæger sig langs disse strålers bane, kan jeg ikke se nogen vej uden om den konklusion, at de er ladninger af negativ elektricitet båret af partikler af stof.

Eksperiment 3: Masse-til-ladning (e/m) forholdet

Efter at have demonstreret katodestrålernes elektrostatiske egenskaber var Thomson stadig nysgerrig på disse partikler. Han spekulerede på, hvad disse partikler var, var det atomer eller molekyler eller nogle ukendte enheder, som endnu ikke var opdaget. For at finde svar på sådanne spørgsmål udførte han det tredje eksperiment. I dette forsøg målte han forholdet mellem masse og ladning af partikler.

Det eksperimentelle apparat til dette forsøg var det samme som det foregående. Derudover påførte han et magnetfelt ved at placere polerne på en elektromagnet omkring røret som vist i ovenstående figur.

Magnetfeltet blev påført således, at det var vinkelret på både det elektriske felt og katodestrålerne. Dette er afbildet i nedenstående figur.

I første omgang påførte han kun det elektriske felt, som afbøjede strålen i en bestemt retning. Denne elektriske afbøjning blev målt af ham. Og derefter blev det magnetiske felt varieret, indtil strålen vendte tilbage til den oprindelige bane, dvs. den forblev uafbøjet. På dette tidspunkt havde den magnetiske kraft og den elektriske kraft ophævet hinanden. De var lige store, men modsatrettede.

Han beregnede masse/ladningsforholdet (m⁄e) ved hjælp af nedenstående udtryk.

Her er E og H den elektriske feltstyrke og den magnetiske feltstyrke, l er pladernes længde, og θ er afbøjningen, når kun det elektriske felt er påført. Alle disse parametre var kendt.

Bevis for m/e

Lad:

1. D være den plade, der er forbundet til den positive pol af et batteri, og E forbundet til den negative pol.
2. FE er den kraft, der udøves af det elektriske felt.
3. FH er den kraft, der udøves af det magnetiske felt.
4. s er bjælkens vertikale forskydning i enden af pladerne.
5. l er længden af en plade.
6. θ være afbøjningen i det elektriske felt.
7. v være strålens konstante hastighed, når den træder ind i det elektriske felt.
8. O være oprindelsen.
9. T være den tid, som katodestråler bruger i det elektriske felt.

Denne notation er repræsenteret i nedenstående figur.

Når den elektriske kraft og den magnetiske kraft ophæver hinanden, er strålerne ikke afbøjet. Nettokraften på strålerne er således nul.

Vi ved, at FE = eE og FH = -evH. Det negative fortegn viser, at kræfterne er i modsat retning.

Den forskydning, der fremgår af de kinematiske formler, er

I x-retningen er begyndelseshastigheden v, og accelerationen er nul.

Substituerer man værdien af v i ovenstående ligning,

når t = T, er x = l.

I y-retningen er begyndelseshastigheden nul, men strålen accelererer, efterhånden som den bevæger sig fremad i det elektriske felt.

Acceleration er kraft divideret med masse.

Substituerer man værdien af a,

Når t = T, er y = s.

Eliminerer man T,

Således er forholdet mellem masse og ladning som følger:

For mindre værdier af θ, .

Endeligt,

Værdien af det forhold, som Thomson rapporterede i sin afhandling, er (1,29 ± 0,17) × 10-7.

Den reciprokke af m⁄e giver forholdet mellem ladning og masse (e⁄m). Den af CODATA anbefalede værdi for e⁄m er 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.

Thomson bemærkede også, at hans beregnede værdi af m⁄e var uafhængig af gassen i udladningsrøret og det anvendte metal i katoden. Dette gav også en anelse om, at partikler var en integreret del af atomer.

Han bemærkede også, at værdien af m⁄e var omkring 1000 gange mindre end værdien af hydrogenioner. Den værdi af m⁄e for hydrogenioner, der blev anslået på det tidspunkt, var omkring 10-4. Det indebar, at partiklernes masse var meget mindre end hydrogenionernes masse eller var stærkt ladede. Lenard havde bestemt rækkevidden, som er tæt forbundet med den gennemsnitlige frie vej for kollisioner, for katodestråler; den var 0,5 cm. På den anden side var den gennemsnitlige frie vej for luftmolekyler 10-5 cm, hvilket er meget lille i forhold til katodestrålernes rækkevidde. Derfor hævdede han, at størrelsen af disse partikler må være meget mindre end luftmolekylerne.

Konklusion

Thomson kaldte disse partikler for korpuskler, senere blev de omdøbt til elektroner. Han konkluderede, at korpusklerne var mindre end atomernes størrelse og var en integreret del af et atom.

Baseret på disse eksperimentelle resultater foreslog Thomson også sin plum pudding-model. Han blev hædret med Nobelprisen i fysik.

Thomsons hypoteser

Thomson fremlagde tre hypoteser ud fra sine eksperimenter.

1. Katodestråler består af negativt ladede partikler kaldet korpuskler.
2. Atomet består af disse korpuskler.
3. Disse korpuskler er den eneste integrerede del af et atom.

Den tredje hypotese blev senere bevist forkert, da hans egen elev Rutherford foreslog tilstedeværelsen af den positivt ladede kerne i et atom.

Associerede artikler

• Atometallet