Sir Joseph John Thomson war ein britischer Physiker und Nobelpreisträger. Er wurde durch die Entdeckung des Elektrons bekannt. Im Jahr 1897 zeigte er, dass Kathodenstrahlen aus sehr kleinen, negativ geladenen Teilchen bestehen. Diese Teilchen wurden später als Elektronen bezeichnet. Die Apparatur seines Experiments wird Kathodenstrahlröhre (CRT) genannt.
J. J. Thomson war nicht der Einzige, der sich mit Kathodenstrahlen beschäftigte, sondern mehrere andere wie Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes und Philipp Lenard hatten dazu beigetragen oder waren mit der Erforschung dieser Technik beschäftigt. Die Beiträge von Thomson sind jedoch bedeutender als die der anderen. Seine experimentellen Ergebnisse wurden von Rutherford und Bohr weiter untersucht, was weitere wichtige Einblicke in die atomare Welt ermöglichte.
Kathodenstrahl und Kathodenstrahlröhre
Bevor wir uns direkt auf Thomsons Erkenntnisse stürzen, sollten wir einige grundlegende Kenntnisse über Kathodenstrahlen und die Kathodenstrahlröhre verstehen.
Was sind Kathodenstrahlen? Kathodenstrahlen sind Elektronenströme, die von der Kathode (der mit dem Minuspol einer Batterie verbundenen Elektrode) ausgehen. Diese Strahlen bewegen sich in geraden Linien und können durch elektrische und magnetische Felder abgelenkt werden.
Die Kathodenstrahlröhre (CRT) ist eine hohle Glasröhre. Die Luft in der Röhre wird abgepumpt, um ein Vakuum zu erzeugen.
Die CRT besteht aus folgenden Teilen:
- Elektronenstrahler (oder Elektronenkanone): Die Elektronenkanone besteht in erster Linie aus Heizung und Kathode. Sie emittiert den scharfen Elektronenstrahl, die Kathodenstrahlen. In modernen Kathodenstrahlröhren wird der Elektronenstrahl durch thermionische Emission – unter Verwendung eines Heizfadens – erzeugt, wie im obigen Diagramm dargestellt. In den Experimenten von Thomson wurde jedoch der Mechanismus der Kaltkathodenemission verwendet.
- Fokussierungs- und Beschleunigungssystem: Es besteht aus einer Reihe von Anoden. Es verengt den Strahl und erhöht seine kinetische Energie.
- Ablenkungssystem: Es steuert die Richtung des Elektronenstrahls. Dies wird durch ein äußeres elektrisches und magnetisches Feld erreicht. Die Kathodenstrahlen werden bei der Wechselwirkung mit diesen Feldern gebeugt.
- Phosphoreszenzbeschichtung: Das ist der letzte Teil der Kathodenstrahlröhre, auf den die Strahlen auftreffen und ein Leuchten erzeugen.
Thomsons Experimente
Zu jener Zeit war den Physikern nicht klar, ob Kathodenstrahlen immateriell wie Licht oder materiell sind. Es gab viele unterschiedliche Meinungen zu diesen Strahlen. Die einen meinten, die Strahlen seien auf einen Vorgang im Äther zurückzuführen. Die immaterielle Natur und die Ätherhypothese der Kathodenstrahlen wurden von J. J. Thomson widerlegt. Er kam zu dem Schluss, dass die Strahlen aus Teilchen bestehen. Seine gesamten Arbeiten lassen sich in drei verschiedene Experimente unterteilen. Im ersten wurde die magnetische Wirkung auf Kathodenstrahlen untersucht, im zweiten wurden die Strahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt. Im letzten Experiment gelang es ihm, das Verhältnis von Masse zu Ladung zu messen.
Experiment 1: Magnetische Ablenkung
Die Experimentiervorrichtung bestand aus zwei Metallzylindern. Die Zylinder waren koaxial angeordnet und gegeneinander isoliert. Der äußere Zylinder war geerdet, während der innere an ein Elektrometer angeschlossen war, um einen elektrischen Strom zu messen (siehe Abbildung). Beide Zylinder hatten Löcher oder Schlitze. Wenn zwischen der Kathode (A in der Abbildung) und der Anode (B in der Abbildung) eine hohe Potenzialdifferenz angelegt wurde, traten Kathodenstrahlen, die in der linken Röhre erzeugt wurden, aus der Kathode aus und gelangten in die Hauptglocke. Die Strahlen traten nur dann in die Zylinder ein, wenn sie durch ein Magnetfeld abgelenkt wurden.
Er verfolgte den Weg der Strahlen anhand der Fluoreszenz auf einem quadratischen Schirm in der Glasschale. Wenn die Strahlen durch ein Magnetfeld gebeugt wurden, drangen sie durch die Schlitze in die Zylinder ein. Das Vorhandensein von negativer Ladung wurde im Elektrometer nachgewiesen. Wurden die Strahlen weiter gebogen, passierten sie die Schlitze und das Elektrometer zeigte keine Werte an. „So zeigt dieses Experiment, dass, wie auch immer wir die Kathodenstrahlen durch magnetische Kräfte verdrehen und ablenken, die negative Elektrifizierung demselben Weg folgt wie die Strahlen und dass diese negative Elektrifizierung untrennbar mit den Kathodenstrahlen verbunden ist“, zitierte Thomson.
Außerdem wiederholte er das Experiment mit verschiedenen Materialien und Gasen und stellte fest, dass die Ablenkung der Strahlen unabhängig von den verwendeten Materialien und Gasen dieselbe war.
Schlussfolgerungen
Nach diesem Experiment kam er zu den beiden Hauptpunkten.
- Kathodenstrahlen wurden durch ein Magnetfeld genauso abgelenkt, wie wenn sie aus negativ geladenen Teilchen bestünden.
- Die Strahlen waren unabhängig vom Material der Elektroden und vom Gas im Glas.
Experiment 2: Elektrische Ablenkung
Das erste Experiment zeigte zwar das Verhalten von Kathodenstrahlen als negativ geladene Teilchen unter einem Magnetfeld. Diese Aussage wurde unzureichend, als die Kathodenstrahlen in einem elektrischen Feld nicht abgelenkt wurden. Dies wurde von Hertz lange vor Thomson beobachtet. Dies führte zu einem Dilemma, ob Kathodenstrahlen negativ geladene Teilchen sind oder nicht. Thomson beschloss, dies in einem weiteren Experiment zu untersuchen.
Thomson konstruierte eine modifizierte Crookes-Röhre, wie in der obigen Abbildung dargestellt. Wenn zwischen der Kathode und der Anode eine hohe Potentialdifferenz angelegt wurde, wurden an der Kathode (C im Diagramm) Kathodenstrahlen erzeugt. Beim Durchgang dieser Strahlen durch die Anode (A in der Abbildung) und später durch den geerdeten Spalt B wurden die Strahlen geschärft. Dieser schmale Strahl breitete sich durch Aluminiumplatten (D und E) aus und traf schließlich auf den phosphoreszierenden Schirm, um einen hellen Fleck zu erzeugen. Der Schirm wurde skaliert, so dass die Ablenkung des Strahls gemessen werden konnte.
Als Hertz ein elektrisches Feld zwischen den Platten angelegt hatte, stellte er keine Ablenkung des Strahls fest. Daraus schloss er, dass Kathodenstrahlen durch ein elektrisches Feld nicht beeinflusst werden.
Als Thomson nach Hertz das gleiche Experiment durchführte, fand er ebenfalls ähnliche Ergebnisse. Er wiederholte das gleiche Experiment unter viel geringerem Druck als zuvor. Diesmal wurde der Strahl durch ein elektrisches Feld abgelenkt. Wenn die obere Platte an den Pluspol der Batterie und die untere Platte an den Minuspol angeschlossen war, wurde der Strahl nach oben abgelenkt. Wenn die Polarität der Platten umgekehrt wurde, wurde der Strahl nach unten abgelenkt.
Schließlich gelang es ihm zu beweisen, dass die Strahlen nichts anderes als negativ geladene Teilchen sind.
Schlussfolgerung
Er kam zu folgendem Schluss:
Da die Kathodenstrahlen eine Ladung negativer Elektrizität tragen, durch eine elektrostatische Kraft abgelenkt werden, als ob sie negativ elektrifiziert wären, und auf sie eine magnetische Kraft einwirkt, genau so, wie diese Kraft auf einen negativ elektrifizierten Körper einwirken würde, der sich entlang des Weges dieser Strahlen bewegt, kann ich keinen Ausweg aus der Schlussfolgerung sehen, dass sie Ladungen negativer Elektrizität sind, die von Materieteilchen getragen werden.
Anmerkung: Eine Frage, die die Leser vielleicht beschäftigt, ist die, warum der Strahl abgelenkt wurde, als das Vakuum in der Röhre erhöht wurde. Die hohe Potentialdifferenz zwischen den Elektroden ionisierte die restlichen Gasmoleküle in freie Elektronen und Ionen, auch Raumladung genannt. Diese freien Elektronen und Ionen schirmten das äußere elektrische Feld im Fall von Hertz elektrisch ab. Dadurch entstand ein gedämpftes elektrisches Feld, und der Strahl blieb von dem elektrischen Feld unbeeinflusst. Bei Thomson hingegen war die Dichte der Raumladung aufgrund des höheren Vakuums sehr gering. Und sie behinderten das elektrische Feld nicht nennenswert.
Experiment 3: Masse-zu-Ladung (e/m)-Verhältnis
Nachdem er die elektrostatischen Eigenschaften von Kathodenstrahlen nachgewiesen hatte, war Thomson immer noch neugierig auf diese Teilchen. Er fragte sich, was diese Teilchen waren, ob es sich um Atome oder Moleküle handelte oder um unbekannte Gebilde, die es noch zu entdecken galt. Um Antworten auf diese Fragen zu finden, führte er das dritte Experiment durch. In diesem Experiment maß er das Masse-Ladungs-Verhältnis der Teilchen.
Die Versuchsapparatur für dieses Experiment war die gleiche wie die des vorherigen. Zusätzlich legte er ein Magnetfeld an, indem er die Pole eines Elektromagneten um die Röhre herum anordnete, wie in der obigen Abbildung gezeigt.
Das Magnetfeld wurde so angelegt, dass es sowohl zum elektrischen Feld als auch zu den Kathodenstrahlen senkrecht stand. Dies ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Anfänglich legte er nur das elektrische Feld an, das den Strahl in eine bestimmte Richtung ablenkte. Diese elektrische Ablenkung wurde von ihm gemessen. Dann wurde das magnetische Feld so lange variiert, bis der Strahl in die ursprüngliche Bahn zurückkehrte, d.h. er blieb unabgelenkt. In diesem Zustand hatten sich die magnetische Kraft und die elektrische Kraft gegenseitig aufgehoben. Sie waren gleich groß, aber entgegengesetzt gerichtet.
Er berechnete das Masse-Ladungs-Verhältnis (m⁄e) mit Hilfe des folgenden Ausdrucks.
Hier sind E und H die elektrische Feldstärke und die magnetische Feldstärke, l ist die Länge der Platten und θ ist die Ablenkung, wenn nur das elektrische Feld angelegt ist. Alle diese Parameter sind bekannt.
Beweis von m/e
Soll:
- D die Platte sein, die mit dem Pluspol einer Batterie verbunden ist, und E mit dem Minuspol.
- FE sei die Kraft, die durch das elektrische Feld ausgeübt wird.
- FH sei die Kraft, die durch das magnetische Feld ausgeübt wird.
- s sei die vertikale Verschiebung des Balkens am Ende der Platten.
- l sei die Länge einer Platte.
- θ sei die Ablenkung im elektrischen Feld.
- v sei die konstante Geschwindigkeit des Strahls beim Eintritt in das elektrische Feld.
- O sei der Ursprung.
- T sei die Zeit, die die Kathodenstrahlen im elektrischen Feld verbringen.
Diese Schreibweise ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wenn sich die elektrische Kraft und die magnetische Kraft gegenseitig aufheben, sind die Strahlen nicht abgelenkt. Somit ist die Nettokraft auf die Strahlen gleich Null.
Wir wissen, dass FE = eE und FH = -evH. Das negative Vorzeichen zeigt, dass die Kräfte in die entgegengesetzte Richtung wirken.
Die Verschiebung aus den kinematischen Formeln ist
In der x-Richtung ist die Anfangsgeschwindigkeit v und die Beschleunigung ist Null.
Setzt man den Wert von v in die obige Gleichung ein,
wenn t = T, x = l.
In y-Richtung ist die Anfangsgeschwindigkeit gleich Null, aber der Strahl beschleunigt, wenn er sich im elektrischen Feld fortbewegt.
Beschleunigung ist Kraft geteilt durch Masse.
Ersetzt man den Wert von a,
Wenn t = T ist, ist y = s.
Eliminiert man T,
so ergibt sich das Verhältnis von Masse zu Ladung wie folgt: 
Für kleinere Werte von θ, 
.
Schließlich,
Der von Thomson in seiner Arbeit angegebene Wert des Verhältnisses ist (1,29 ± 0,17) × 10-7.
Der Kehrwert von m⁄e ergibt das Verhältnis von Ladung zu Masse (e⁄m). Der von CODATA empfohlene Wert für e⁄m ist 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson bemerkte auch, dass sein berechneter Wert von m⁄e unabhängig vom Gas in der Entladungsröhre und dem verwendeten Metall der Kathode war. Dies gab auch einen Hinweis darauf, dass Teilchen ein integraler Bestandteil von Atomen waren.
Er stellte auch fest, dass der Wert von m⁄e etwa 1000 Mal kleiner war als der Wert von Wasserstoffionen. Der Wert von m⁄e für Wasserstoffionen wurde damals auf etwa 10-4 geschätzt. Das bedeutete, dass die Masse der Teilchen viel kleiner war als die der Wasserstoffionen oder dass sie stark geladen waren. Lenard hatte die Reichweite, die eng mit der mittleren freien Weglänge für Kollisionen zusammenhängt, für Kathodenstrahlen bestimmt; sie betrug 0,5 cm. Die mittlere freie Weglänge von Luftmolekülen betrug dagegen 10-5 cm, was im Vergleich zur Reichweite von Kathodenstrahlen sehr klein ist. Daher argumentierte er, dass die Größe dieser Teilchen viel kleiner sein muss als die der Luftmoleküle.
Schlussfolgerung
Thomson nannte diese Teilchen Korpuskel, später wurden sie in Elektronen umbenannt. Er kam zu dem Schluss, dass die Teilchen kleiner als die Größe der Atome waren und einen integralen Bestandteil eines Atoms darstellten.
Auf der Grundlage dieser experimentellen Ergebnisse schlug Thomson auch sein Plum Pudding-Modell vor. Er wurde mit dem Nobelpreis für Physik geehrt.
Thomsons Hypothesen
Thomson stellte drei Hypothesen aus seinen Experimenten auf.
- Kathodenstrahlen bestehen aus negativ geladenen Teilchen, die Teilchen genannt werden.
- Das Atom besteht aus diesen Teilchen.
- Diese Teilchen sind der einzige integrale Bestandteil eines Atoms.
Die dritte Hypothese wurde später widerlegt, als sein eigener Schüler Rutherford das Vorhandensein des positiv geladenen Kerns in einem Atom vorschlug.
Zugehörige Artikel
- Atomzahl