Sir Joseph John Thomson oli brittiläinen fyysikko ja Nobel-palkittu. Hän oli tunnettu elektronin löytämisestä. Vuonna 1897 hän osoitti, että katodisäteet koostuivat hyvin pienistä negatiivisesti varautuneista hiukkasista. Nämä hiukkaset nimettiin myöhemmin elektroneiksi. Hänen kokeensa laitetta kutsutaan katodisädeputkeksi (CRT, cathode-ray tube).
J. J. Thomson ei ollut ainoa, joka työskenteli katodisäteiden parissa, vaan useat muutkin toimijat, kuten Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes ja Philipp Lenard, olivat vaikuttaneet siihen tai tutkivat sitä parhaillaan. Thomsonin panos on kuitenkin muita merkittävämpi. Hänen kokeellisia tuloksiaan tutkivat edelleen Rutherford ja Bohr, jotka antoivat edelleen tärkeitä oivalluksia atomimaailmasta.
Katodisäde ja katodisädeputki
Ennen kuin hyppäämme suoraan Thomsonin tutkimustuloksiin, ymmärtäkäämme joitakin perustietoja katodisäteistä ja katodisädeputkesta.
Mitä ovat katodisäteet? Katodisäteet ovat katodista (pariston miinusnapaan liitetty elektrodi) lähteviä elektronivirtoja. Nämä säteet kulkevat suorina linjoina, ja niitä voidaan poikkeuttaa sähkö- ja magneettikentällä.
Katodisädeputki (CRT) on ontto lasiputki. Putkessa oleva ilma pumpataan ulos tyhjiön aikaansaamiseksi.
Kuvaputki koostuu seuraavista osista:
- Elektroniemitteri (tai elektronitykki): Elektronitykki koostuu pääasiassa lämmittimestä ja katodista. Se emittoi terävän elektronisuihkun, katodisäteet. Nykyaikaisissa kuvaputkissa elektronisuihku tuotetaan termioniemissiolla – käyttäen lämmitysfilamenttia – kuten yllä olevassa kaaviossa on esitetty. Thomsonin kokeissa käytettiin kuitenkin kylmäkatodiemissiomekanismia.
- Tarkennus- ja kiihdytysjärjestelmä: Se koostuu anodien sarjasta. Se kaventaa sädettä ja lisää sen liike-energiaa.
- Heijastusjärjestelmä: Se ohjaa elektronisuihkun suuntaa. Tämä tapahtuu ulkoisen sähkö- ja magneettikentän avulla. Katodisäteet taipuvat, kun ne ovat vuorovaikutuksessa näiden kenttien kanssa.
- Fosforisoiva pinnoite: Se on kuvaputken viimeinen osa, johon säteet osuvat luoden hehkun.
Thomsonin kokeet
Taannoin fyysikot olivat epätietoisia siitä, olivatko katodisäteet valon tavoin aineettomia vai aineellisia. Näistä säteistä oltiin montaa eri mieltä. Joidenkin mukaan säteet johtuvat jostain eetterissä tapahtuvasta prosessista. J. J. Thomson todisti katodisäteiden aineettoman luonteen ja eetterihypoteesin vääräksi. Hän päätteli, että säteet koostuivat hiukkasista. Hänen koko työnsä voidaan jakaa kolmeen eri kokeeseen. Ensimmäisessä tutkittiin magneettivaikutusta katodisäteisiin, kun taas toisessa säteet poikkeutettiin sähkökentällä. Viimeisessä kokeessa hän onnistui mittaamaan massan ja varauksen suhteen.
Koe 1: Magneettinen poikkeutus
Koelaitteisto koostui kahdesta metallisylinteristä. Sylinterit oli sijoitettu koaksiaalisesti ja eristetty toisistaan. Ulompi sylinteri oli maadoitettu, kun taas sisempi oli kiinnitetty sähkömittariin mahdollisen sähkövirran havaitsemiseksi, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty. Molemmissa sylintereissä oli reikiä tai rakoja. Kun katodin (kuvassa A) ja anodin (kuvassa B) välille asetettiin suuri potentiaaliero, katodisäteet, jotka syntyivät vasemmassa putkessa, lähtivät katodista ja pääsivät pääkelloon. Säteet eivät päässeet sylintereihin, ellei magneettikenttä ohjannut niitä.
Hän jäljitti säteiden kulkureitin käyttämällä fluoresenssia neliönmuotoisella kuvaruudulla purkin sisällä. Kun säteet taivutettiin magneettikentän vaikutuksesta, ne tunkeutuivat sylintereihin rakojen läpi. Ja negatiivisen varauksen läsnäolo havaittiin sähkömittarilla. Jos näitä säteitä taivutettiin edelleen, ne menivät rakojen yli, eikä sähkömittari näyttänyt mitään lukemia. ”Näin tämä koe osoittaa, että vaikka kuinka väännämme ja taivutamme katodisäteitä magneettivoimien avulla, negatiivinen sähköistyminen kulkee samaa reittiä kuin säteet ja että tämä negatiivinen sähköistyminen on erottamattomasti yhteydessä katodisäteisiin”, Thomson siteerasi.
Lisäksi hän toisti kokeen eri materiaaleilla ja kaasuilla ja havaitsi, että säteiden taipuminen oli sama riippumatta käytetyistä materiaaleista ja kaasuista.
Johtopäätökset
Hän päätyi tämän kokeen jälkeen kahteen pääkysymykseen.
- Katodisäteet taipuivat magneettikentän vaikutuksesta samalla tavalla kuin jos ne koostuisivat negatiivisesti varatuista hiukkasista.
- Säteet olivat riippumattomia elektrodien materiaalista ja purkissa olevasta kaasusta.
Koe 2: Sähköinen poikkeutus
Ensimmäinen koe osoitti kyllä katodisäteiden käyttäytymisen negatiivisesti varautuneina hiukkasina magneettikentässä. Tämä väite muuttui puutteelliseksi, kun katodisäteet eivät taipuneet sähkökentässä. Hertz havaitsi sen jo paljon ennen Thomsonia. Tämä johti dilemmaan siitä, ovatko katodisäteet negatiivisesti varautuneita hiukkasia vai eivät. Thomson päätti tutkia asiaa tarkemmin toisen kokeen avulla.
Thomson rakensi modifioidun Crookesin putken yllä olevan kuvan mukaisesti. Kun katodin ja anodin välille asetettiin suuri potentiaaliero, katodissa (kuvassa C) syntyi katodisäteitä. Kun nämä säteet kulkivat anodin läpi (kuvassa A) ja myöhemmin maadoitetun raon B läpi, säteet terävöityivät. Tämä kapea säde eteni alumiinilevyjen (D ja E) läpi ja osui lopulta fosforisoivaan kuvaruutuun tuottaen kirkkaan läiskän. Näyttö skaalattiin, joten säteen taipuminen voitiin mitata.
Kun Hertz oli asettanut sähkökentän levyjen väliin, hän ei huomannut säteen taipuvan. Näin ollen hän päätteli, että katodisäteeseen ei vaikuta sähkökenttä.
Hertzin jälkeen, kun Thomson suoritti saman kokeen, hänkin havaitsi samanlaisia tuloksia. Hän toisti saman kokeen paljon pienemmässä paineessa kuin edellisessä. Tällä kertaa säde taipui sähkökentän vaikutuksesta. Kun ylempi levy kiinnitettiin pariston positiiviseen napaan ja alempi levy negatiiviseen napaan, säde taipui ylöspäin. Jos levyjen napaisuus vaihdettiin, säde taipui alaspäin.
Viimein hän onnistui osoittamaan, että säde ei ole muuta kuin negatiivisesti varattuja hiukkasia.
Johtopäätös
Hän päätteli:
Koska katodisäteet kantavat negatiivisen sähkön varausta, ne taipuvat sähköstaattisen voiman vaikutuksesta ikään kuin ne olisivat negatiivisesti sähköistyneitä ja niihin vaikuttaa magneettinen voima aivan samalla tavalla kuin tämä voima vaikuttaisi negatiivisesti sähköistyneeseen kappaleeseen, joka liikkuu näiden säteiden kulkureittiä pitkin, niin en näe mitään pakotietä sille johtopäätökselle, jonka mukaan nämä säteet ovat negatiivisen sähköisyyden varauksia, joita ainehiukkaset kantavat.
Huomautus: Yksi kysymys, joka saattaa askarruttaa lukijoita, on se, miksi säde taipui, kun putken tyhjiötä lisättiin. Suuri potentiaaliero elektrodien välillä ionisoi jäljelle jääneet kaasumolekyylit vapaiksi elektroneiksi ja ioneiksi eli avaruusvarauksiksi. Nämä vapaat elektronit ja ionit sähköisesti varjostivat ulkoisen sähkökentän Hertzin tapauksessa. Näin ollen se johti vaimennettuun sähkökenttään, ja säde pysyi sähkökentän vaikutuksen alaisena. Thomsonin tapauksessa korkeamman tyhjiön vuoksi avaruusvarauksen tiheys oli kuitenkin hyvin pieni. Eivätkä ne merkittävästi estäneet sähkökenttää.
Koe 3: Massan ja varauksen (e/m) suhde
Näytettyään katodisäteiden sähköstaattiset ominaisuudet Thomson oli edelleen utelias näiden hiukkasten suhteen. Hän pohdiskeli, mitä nämä hiukkaset olivat, olivatko ne atomeja vai molekyylejä vai joitain tuntemattomia entiteettejä, jotka oli vielä löydettävä. Löytääkseen vastauksia tällaisiin kysymyksiin hän suoritti kolmannen kokeen. Tässä kokeessa hän mittasi hiukkasten massan ja varauksen suhdetta.
Kokeen koelaitteisto oli sama kuin edellisessä kokeessa. Lisäksi hän käytti magneettikenttää asettamalla sähkömagneetin navat putken ympärille yllä olevan kuvan mukaisesti.
Magneettikenttä käytettiin siten, että se oli kohtisuorassa sekä sähkökenttää että katodisäteitä vastaan. Tämä on esitetty alla olevassa kuvassa.
Aluksi hän sovelsi vain sähkökenttää, joka taivutti säteen tiettyyn suuntaan. Tämän sähköisen taipuman hän mittasi. Sitten magneettikenttää vaihdeltiin, kunnes säde palasi alkuperäiselle reitilleen eli pysyi taipumattomana. Tässä tilanteessa magneettinen voima ja sähköinen voima olivat kumonneet toisensa. Ne olivat suuruudeltaan yhtä suuria mutta suunnaltaan vastakkaisia.
Hän laski massan ja varauksen suhteen (m⁄e) alla olevan lausekkeen avulla.
Tässä E ja H ovat sähkökentän voimakkuus ja magneettikentän voimakkuus, l on levyjen pituus ja θ on taipuma silloin, kun siihen kohdistetaan vain sähkökenttä. Kaikki nämä parametrit tunnettiin.
Todistus m/e
Olkoon:
- D levy, joka on kytketty pariston positiiviseen napaan ja E negatiiviseen napaan.
- FE olkoon sähkökentän aiheuttama voima.
- FH olkoon magneettikentän aiheuttama voima.
- s olkoon palkin pystysuora siirtymä levyjen päissä.
- l olkoon levyn pituus.
- θ on taipuma sähkökentässä.
- v on säteen vakionopeus sen tullessa sähkökenttään.
- O on origo.
- T on aika, jonka katodisäteet viettävät sähkökentässä.
Tämä merkintätapa on esitetty alla olevassa kuvassa.
Kun sähkövoima ja magneettivoima kumoavat toisensa, säteet ovat taipumattomia. Näin ollen säteiden nettovoima on nolla.
Tiedämme, että FE = eE ja FH = -evH. Negatiivinen merkki osoittaa, että voimat ovat vastakkaiseen suuntaan.
Kinemaattisista kaavoista saatava siirtymä on
X-suunnassa alkunopeus on v ja kiihtyvyys on nolla.
Substituoimalla v:n arvo yllä olevaan yhtälöön,
Kun t = T, x = l.
Y-suunnassa alkunopeus on nolla, mutta säde kiihtyy edetessään sähkökentässä.
Kiihtyvyys on voima jaettuna massalla.
Korvaamalla a:n arvo,
Kun t = T, y = s.
Korvaamalla T,
saadaan siis massan ja varauksen suhde seuraavasti: 
Pienemmillä θ:n arvoilla 
.
Viimein,
Thomsonin artikkelissaan ilmoittama suhdeluvun arvo on (1,29 ± 0,17) × 10-7.
M⁄e:n käänteisluku m⁄e antaa varauksen/massan suhdeluvun (e⁄m). CODATA:n suosittelema e⁄m-arvo on 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson totesi myös, että hänen laskemansa m⁄e-arvo oli riippumaton purkausputkessa olevasta kaasusta ja käytetystä katodin metallista. Tämä antoi myös aavistuksen siitä, että hiukkaset olivat olennainen osa atomeja.
Hän totesi myös, että m⁄e:n arvo oli noin 1000 kertaa pienempi kuin vetyionien arvo. Vetyionien m⁄e:n arvoksi arvioitiin tuolloin noin 10-4. Se tarkoitti, että hiukkasten massa oli paljon pienempi kuin vetyionien massa tai ne olivat voimakkaasti varattuja. Lenard oli määrittänyt katodisäteiden kantaman, joka liittyy läheisesti törmäysten keskimääräiseen vapaaseen matkaan; se oli 0,5 cm. Toisaalta ilmamolekyylien keskimääräinen vapaa matka oli 10-5 cm, mikä on hyvin pieni verrattuna katodisäteiden kantamaan. Siksi hän väitti, että näiden hiukkasten koon täytyy olla paljon pienempi kuin ilmamolekyylien.
Johtopäätös
Thomson nimesi nämä hiukkaset korpuskeleiksi, myöhemmin ne nimettiin uudelleen elektroneiksi. Hän päätteli, että korpuskelit olivat atomien kokoa pienempiä ja ne olivat olennainen osa atomia.
Tämän kokeellisen tuloksen perusteella Thomson ehdotti myös luumupudding-malliaan. Hänelle myönnettiin Nobelin fysiikan palkinto.
Thomsonin hypoteesit
Thomson esitti kokeistaan kolme hypoteesia.
- Katodisäteet koostuvat negatiivisesti varautuneista hiukkasista, joita kutsutaan hiukkasiksi.
- Atomi koostuu näistä hiukkasista.
- Nämä kappaleet ovat atomin ainoa kiinteä osa.
Kolmas hypoteesi osoittautui myöhemmin vääräksi, kun hänen oma oppilaansa Rutherford ehdotti positiivisesti varautuneen ytimen olemassaoloa atomissa.
Seuraavat artikkelit
- Atominumero
Seuraavat artikkelit .