Sir Joseph John John Thomson brit fizikus és Nobel-díjas fizikus volt. Az elektron felfedezése révén vált ismertté. 1897-ben kimutatta, hogy a katódsugarak nagyon kis negatív töltésű részecskékből állnak. Ezeket a részecskéket később elektronoknak nevezték el. Kísérletének készülékét katódsugárcsőnek (CRT) nevezik.
J. J. Thomson (1856 – 1940)
J. J. Thomson nem egyedül dolgozott a katódsugárzáson, hanem több más szereplő, például Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard is hozzájárult vagy éppen tanulmányozásával volt elfoglalva. Thomson hozzájárulása azonban jelentősebb maradt a többieknél. Kísérleti eredményeit Rutherford és Bohr tovább vizsgálta, ami további fontos betekintést nyújtott az atomi világba.
Katódsugár és katódsugárcső
Mielőtt közvetlenül megugranánk Thomson eredményeit, értsünk néhány alapismeretet a katódsugárról és a katódsugárcsőről.
Mi a katódsugár? A katódsugarak a katódból (az akkumulátor negatív pólusához csatlakozó elektróda) kibocsátott elektronáramok. Ezek a sugarak egyenes vonalban haladnak, és elektromos és mágneses térrel eltéríthetők.
A katódsugárcső (CRT) egy üreges üvegcső. A csőben lévő levegőt kipumpálják, hogy vákuumot hozzanak létre.
A CRT a következő részekből áll:
- Elektronsugárzó (vagy elektronágyú): Az elektronágyú elsősorban fűtőből és katódból áll. Ez bocsátja ki az éles elektronsugarat, a katódsugarakat. A modern CRT-kben az elektronsugarat termionikus emisszióval – egy fűtőszál segítségével – hozzák létre, ahogy a fenti ábrán látható. Thomson kísérleteiben azonban hidegkatódos emissziós mechanizmust használtak.
- Fókuszáló és gyorsító rendszer: Anódok sorozatából áll. Ez szűkíti a sugárnyalábot és növeli annak mozgási energiáját.
- Elterelő rendszer: Ez szabályozza az elektronsugár irányát. Ezt egy külső elektromos és mágneses térrel érik el. A katódsugarak elhajlanak, amint kölcsönhatásba lépnek ezekkel a terekkel.
- Foszforeszkáló bevonat: Ez a CRT utolsó része, ahová a sugarak becsapódnak, hogy izzást hozzanak létre.
Thomson kísérletei
Azokban az időkben a fizikusok nem voltak tisztában azzal, hogy a katódsugarak anyagtalanok-e, mint a fény, vagy anyagiak. Sokféle vélemény alakult ki ezekről a sugarakról. Egyesek szerint a sugarak az éterben lejátszódó valamilyen folyamatnak köszönhetőek. A katódsugarak anyagtalan természetét és az éter-hipotézist J. J. Thomson cáfolta. Arra a következtetésre jutott, hogy a sugarak részecskékből állnak. Egész munkássága három különböző kísérletre osztható. Az elsőben a katódsugarakra gyakorolt mágneses hatást tanulmányozta, míg a másodikban a sugarakat elektromos térrel térítette el. Az utolsó kísérletben sikerült megmérnie a tömeg-töltés arányt.
1. kísérlet: Mágneses eltérítés
A kísérleti berendezés két fémhengerből állt. A hengerek koaxiálisan voltak elhelyezve és egymástól szigetelve. A külső henger földelve volt, míg a belső egy elektrométerhez volt csatlakoztatva az esetleges elektromos áram kimutatására, ahogy az alábbi ábrán látható. Mindkét hengeren lyukak vagy rések voltak. Amikor a katód (A az ábrán) és az anód (B az ábrán) között nagy potenciálkülönbséget alkalmaztak, a bal oldali csőben keletkezett katódsugarak kiléptek a katódból, és beléptek a fő haranglábba. A sugarak csak akkor léptek be a hengerekbe, ha mágneses térrel eltérítették őket.
A sugarak útját a befőttesüvegben lévő négyszögletes képernyőn a fluoreszcencia segítségével követte nyomon. Amikor a sugarakat a mágneses tér meghajlította, a réseken keresztül beszivárogtak a hengerekbe. Az elektrométerrel pedig kimutatták a negatív töltés jelenlétét. Ha ezeket a sugarakat tovább hajlították, akkor túllőttek a réseken, és az elektrométer nem mutatott semmilyen értéket. “Ez a kísérlet tehát azt mutatja, hogy bárhogyan is csavarjuk és tereljük el a katódsugarakat mágneses erőkkel, a negatív elektromosság ugyanazt az utat követi, mint a sugarak, és hogy ez a negatív elektromosság elválaszthatatlanul kapcsolódik a katódsugarakhoz” – idézte Thomson.
Másrészt megismételte a kísérletet különböző anyagokkal és gázokkal, és megállapította, hogy a sugarak elhajlása a felhasznált anyagoktól és gázoktól függetlenül ugyanaz volt.
Következtetések
Ezt a kísérletet követően két fő megállapításra jutott:
- A katódsugarakat ugyanúgy eltérítette a mágneses tér, mintha negatív töltésű részecskékből állnának.
- A sugarak függetlenek voltak az elektródák anyagától és az üvegben lévő gáztól.
2. kísérlet: Elektromos eltérítés
Az első kísérlet valóban kimutatta a katódsugarak negatív töltésű részecskékként való viselkedését mágneses térben. Ez az állítás akkor vált hiányossá, amikor a katódsugarak nem tértek el elektromos térben. Ezt Hertz már jóval Thomson előtt megfigyelte. Ez azt a dilemmát eredményezte, hogy a katódsugarak negatív töltésű részecskék-e vagy sem. Thomson úgy döntött, hogy egy másik kísérlet révén tovább vizsgálódik.
Thomson a fenti ábrán látható módon épített egy módosított Crookes-csövet. Amikor a katód és az anód között nagy potenciálkülönbséget alkalmaztak, a katódon (az ábrán C) katódsugarak keletkeztek. Ahogy ezek a sugarak áthaladtak az anódon (A az ábrán) és később a földelt B résen, a sugarak élesedtek. Ez a keskeny sugárnyaláb áthaladt az alumíniumlemezeken (D és E), és végül a foszforeszkáló képernyőbe csapódott, hogy fényes foltot hozzon létre. A képernyőt skálázták, így a sugár elhajlását meg lehetett mérni.
Amikor Hertz elektromos teret alkalmazott a lemezek között, nem észlelte a sugár elhajlását. Ebből arra a következtetésre jutott, hogy a katódsugarakat nem befolyásolja az elektromos tér.
Hertz után Thomson, amikor ugyanezt a kísérletet elvégezte, szintén hasonló eredményeket talált. Ugyanazt a kísérletet az előzőnél sokkal kisebb nyomáson megismételte. Ezúttal a sugárnyalábot elektromos térrel térítette el. Amikor a felső lemezt az akkumulátor pozitív pólusához, az alsó lemezt pedig a negatív pólushoz erősítette, a sugár felfelé terelődött. Ha a lemezek polaritását felcserélték, a sugár lefelé tért el.
Végül sikerült bebizonyítania, hogy a sugár nem más, mint negatív töltésű részecskék.
Következtetés
Azt a következtetést vonta le:
Mivel a katódsugarak negatív elektromos töltést hordoznak, elektrosztatikus erő hatására eltérülnek, mintha negatív elektromosságúak lennének, és mágneses erő hat rájuk, éppen úgy, ahogyan ez az erő hatna egy negatív elektromosságú testre, amely e sugarak útja mentén mozog, nem látok menekvést a következtetés elől, hogy ezek negatív elektromos töltések, amelyeket anyagrészecskék hordoznak.
Megjegyzés: Az egyik kérdés, amely talán kísérti az olvasókat, az, hogy miért térült el a sugár, amikor a csőben megnövelték a vákuumot. Az elektródák közötti nagy potenciálkülönbség ionizálta a maradék gázmolekulákat szabad elektronokká és ionokká, azaz űrtöltéssé. Ezek a szabad elektronok és ionok elektromosan árnyékolták a külső elektromos teret Hertz esetében. Így ez egy csillapított elektromos mezőt eredményezett, és a sugárra nem hatott az elektromos tér. Thomson esetében azonban a nagyobb vákuum miatt a tértöltés sűrűsége nagyon kicsi volt. És nem akadályozták jelentősen az elektromos mezőt.
3. kísérlet: Tömeg-töltés (e/m) arány
A katódsugarak elektrosztatikus tulajdonságainak kimutatása után Thomson még mindig kíváncsi volt ezekre a részecskékre. Azon töprengett, vajon mik lehetnek ezek a részecskék, vajon atomok vagy molekulák, vagy valamilyen ismeretlen, még felfedezésre váró entitás. Hogy választ találjon az ilyen kérdésekre, elvégezte a harmadik kísérletet. Ebben a kísérletben a részecskék tömeg-töltés arányát mérte.
A kísérleti berendezés ehhez a kísérlethez ugyanaz volt, mint az előzőhöz. Ezenkívül mágneses teret alkalmazott úgy, hogy egy elektromágnes pólusait a fenti ábrán látható módon a cső köré helyezte.
A mágneses teret úgy alkalmazta, hogy az merőleges legyen mind az elektromos térre, mind a katódsugarakra. Ezt az alábbi ábra mutatja.
Először csak elektromos mezőt alkalmazott, ami a sugarat egy adott irányba terelte. Ezt az elektromos eltérítést mérte meg. Ezután pedig addig változtatta a mágneses teret, amíg a sugár visszatér az eredeti pályára, azaz eltérítetlen maradt. Ebben az állapotban a mágneses erő és az elektromos erő kioltotta egymást. Nagyságuk egyenlő volt, de irányuk ellentétes.
A tömeg-töltés arányt (m⁄e) az alábbi kifejezéssel számította ki.
Itt E és H az elektromos térerősség és a mágneses térerősség, l a lemezek hossza, θ pedig az eltérítés, amikor csak az elektromos mezőt alkalmazzák. Mindezek a paraméterek ismertek voltak.
A m/e bizonyítása
Legyen:
- D az akkumulátor pozitív pólusához csatlakozó lemez, E pedig a negatív pólushoz csatlakozó lemez.
- FE legyen az elektromos tér által kifejtett erő.
- FH legyen a mágneses tér által kifejtett erő.
- s legyen a gerenda függőleges elmozdulása a lemezek végén.
- l legyen a lemez hossza.
- θ legyen az eltérítés az elektromos térben.
- v legyen a sugár állandó sebessége, amikor belép az elektromos térbe.
- O legyen az origó.
- T legyen a katódsugarak által az elektromos térben töltött idő.
Ezt a jelölést az alábbi ábrán ábrázoljuk.
Ha az elektromos erő és a mágneses erő kioltja egymást, a sugarak eltérítetlenek. Így a sugarakra ható nettó erő nulla.
Tudjuk, hogy FE = eE és FH = -evH. A negatív előjel azt mutatja, hogy az erők ellentétes irányúak.
A kinematikai képletekből az elmozdulás
Az x irányban a kezdősebesség v, a gyorsulás pedig nulla.
A v értékét a fenti egyenletbe beillesztve,
Ha t = T, x = l.
Az y irányban a kezdeti sebesség nulla, de a sugár az elektromos mezőben haladva gyorsul.
A gyorsulás az erő osztott tömeg.
Az a értékét behelyettesítve,
Ha t = T, y = s.
Elszámolva T-t,
Így a tömeg-tömeg arány a következő: 
Kisebb θ értékek esetén 
.
Végeredményben,
A Thomson által a dolgozatában közölt arány értéke (1,29 ± 0,17) × 10-7.
A m⁄e reciproka adja a töltés-tömeg arányt (e⁄m). Az e⁄m CODATA által ajánlott értéke 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson azt is megjegyezte, hogy az általa számított m⁄e értéke független a kisülési csőben lévő gáztól és a katód felhasznált fémétől. Ez egyben arra is utalt, hogy a részecskék az atomok szerves részét képezik.
Azt is megjegyezte, hogy az m⁄e értéke körülbelül 1000-szer kisebb, mint a hidrogénionoké. A hidrogénionok m⁄e értékét akkoriban 10-4 körülire becsülték. Ez arra utalt, hogy a részecskék tömege sokkal kisebb volt, mint a hidrogénionoké, vagy erősen töltöttek voltak. Lenard meghatározta a katódsugarak hatótávolságát, amely szorosan összefügg az ütközések átlagos szabad útjával; ez 0,5 cm volt. Másrészt a levegőmolekulák átlagos szabad útja 10-5 cm volt, ami nagyon kicsi a katódsugarak tartományához képest. Ezért azt állította, hogy ezeknek a részecskéknek sokkal kisebbnek kell lenniük, mint a levegőmolekuláknak.
Következtetés
Thomson ezeket a részecskéket korpuszkuláknak nevezte el, később átnevezte őket elektronoknak. Arra a következtetésre jutott, hogy a korpuszkulák kisebbek az atomok méreténél, és az atom szerves részét képezik.
Ezekre a kísérleti eredményekre alapozva Thomson a szilvapuding modelljét is javasolta. Fizikai Nobel-díjjal tüntették ki.
Thomson hipotézisei
Thomson három hipotézist mutatott be kísérletei alapján.
- A katódsugarak negatív töltésű részecskékből, úgynevezett korpuszkulákból állnak.
- Az atom ezekből a korpuszkulákból áll.
- Ezek a részecskék az atom egyetlen szerves részei.
A harmadik hipotézis később megdőlt, amikor saját tanítványa, Rutherford javasolta a pozitív töltésű atommag jelenlétét az atomban.
Társult cikkek
- Atomszám
.