Sir Joseph John Thomson era un fisico britannico e premio Nobel. Era noto per la scoperta dell’elettrone. Nel 1897, dimostrò che i raggi catodici erano composti da particelle molto piccole caricate negativamente. Queste particelle furono poi chiamate elettroni. L’apparato del suo esperimento è chiamato tubo catodico (CRT).
J. J. Thomson non fu l’unico a lavorare sui raggi catodici, ma diversi altri attori come Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard avevano contribuito o erano impegnati a studiarlo. Tuttavia, i contributi di Thomson rimangono più significativi degli altri. I suoi risultati sperimentali furono ulteriormente studiati da Rutherford e Bohr, che fornirono ulteriori importanti intuizioni sul mondo atomico.
Raggio catodico e tubo a raggi catodici
Prima di saltare direttamente le scoperte di Thomson, cerchiamo di capire alcune conoscenze di base sui raggi catodici e il tubo a raggi catodici.
Cosa sono i raggi catodici? I raggi catodici sono flussi di elettroni emessi dal catodo (l’elettrodo collegato al terminale negativo di una batteria). Questi raggi viaggiano in linea retta e possono essere deviati dal campo elettrico e magnetico.
Il tubo catodico (CRT) è un tubo di vetro cavo. L’aria nel tubo viene pompata fuori per creare il vuoto.
Il CRT consiste nelle seguenti parti:
- Emettitore di elettroni (o cannone elettronico): Il cannone elettronico comprende principalmente il riscaldatore e il catodo. Emette il fascio di elettroni taglienti, i raggi catodici. Nei moderni CRT, il fascio di elettroni è generato dall’emissione termoionica – utilizzando un filamento di riscaldamento – come mostrato nel diagramma sopra. Tuttavia, il meccanismo di emissione a catodo freddo era usato negli esperimenti di Thomson.
- Sistema di focalizzazione e accelerazione: È costituito da una serie di anodi. Restringe il fascio e aumenta la sua energia cinetica.
- Sistema di deflessione: Controlla la direzione del fascio di elettroni. Questo è ottenuto da un campo elettrico e magnetico esterno. I raggi catodici si piegano quando interagiscono con questi campi.
- Rivestimento fosforescente: È la parte finale del CRT, dove i raggi colpiscono per creare un bagliore.
Esperimenti di Thomson
A quei tempi, i fisici non erano chiari se i raggi catodici fossero immateriali come la luce o fossero materiali. Si avevano molte opinioni diverse su questi raggi. Secondo alcuni, i raggi sono dovuti a qualche processo nell’etere. La natura immateriale e l’ipotesi eterea dei raggi catodici furono dimostrate erroneamente da J. J. Thomson. Egli concluse che i raggi erano composti da particelle. Tutto il suo lavoro può essere diviso in tre diversi esperimenti. Nel primo, fu studiato l’effetto magnetico sui raggi catodici, mentre nel secondo, i raggi furono deviati da un campo elettrico. Nell’ultimo esperimento, riuscì a misurare il rapporto tra massa e carica.
Esperimento 1: deflessione magnetica
L’apparato dell’esperimento consisteva in due cilindri di metallo. I cilindri erano posti coassialmente e isolati l’uno dall’altro. Il cilindro esterno era collegato a terra, mentre l’interno era collegato ad un elettrometro per rilevare qualsiasi corrente elettrica, come mostrato nella figura sottostante. Entrambi i cilindri avevano dei fori o delle fessure. Quando si applicava un’alta differenza di potenziale tra il catodo (A nella figura) e l’anodo (B nella figura), i raggi catodici, che erano prodotti nel tubo di sinistra, emettevano dal catodo ed entravano nella campana principale. I raggi non entravano nei cilindri a meno che non fossero deviati da un campo magnetico.
Tracciò il percorso dei raggi usando la fluorescenza su uno schermo quadrato nella campana. Quando i raggi venivano piegati da un campo magnetico, si infiltravano nei cilindri attraverso le fessure. E la presenza di carica negativa è stata rilevata nell’elettrometro. Se questi raggi venivano ulteriormente piegati, superavano le fessure e l’elettrometro non mostrava alcuna lettura. “Così questo esperimento dimostra che, per quanto si torcano e deviino i raggi catodici con forze magnetiche, l’elettrificazione negativa segue lo stesso percorso dei raggi e che questa elettrificazione negativa è indissolubilmente collegata ai raggi catodici”, citava Thomson.
Inoltre, ripeté l’esperimento con diversi materiali e gas e trovò che la deviazione dei raggi era la stessa indipendentemente dai materiali e dai gas usati.
Conclusioni
Arrivò ai due punti principali dopo questo esperimento.
- I raggi catodici venivano deviati da un campo magnetico nello stesso modo come se fossero costituiti da particelle caricate negativamente.
- I raggi erano indipendenti dal materiale degli elettrodi e dal gas nel vaso.
Esperimento 2: deflessione elettrica
Il primo esperimento ha dimostrato il comportamento dei raggi catodici come particelle caricate negativamente sotto un campo magnetico. Questa affermazione divenne carente quando i raggi catodici non riuscirono a deflettere in un campo elettrico. È stato osservato da Hertz molto prima di Thomson. Questo portò ad un dilemma se i raggi catodici sono particelle caricate negativamente o no. Thomson decise di indagare ulteriormente attraverso un altro esperimento.
Thomson costruì un tubo di Crookes modificato come raffigurato nella figura qui sopra. Quando un’alta differenza di potenziale fu applicata tra il catodo e l’anodo, i raggi catodici furono generati al catodo (C nel diagramma). Quando questi raggi passavano attraverso l’anodo (A nel diagramma) e successivamente attraverso la fessura B, che era messa a terra, i raggi si affilavano. Questo fascio stretto si è propagato attraverso piastre di alluminio (D ed E) e infine ha colpito lo schermo fosforescente per produrre una macchia luminosa. Lo schermo fu scalato, in modo da poter misurare la deflessione del fascio.
Quando Hertz aveva applicato un campo elettrico tra le piastre, non notò alcuna deflessione del fascio. Quindi, concluse che i raggi catodici non sono influenzati da un campo elettrico.
Dopo Hertz, quando Thomson fece lo stesso esperimento, trovò anche lui risultati simili. Ripeté lo stesso esperimento con una pressione molto più bassa della precedente. Questa volta il raggio fu deviato da un campo elettrico. Quando la piastra superiore era attaccata al terminale positivo della batteria e la piastra inferiore al terminale negativo, il raggio defletteva verso l’alto. Se la polarità delle piastre veniva invertita, il raggio defletteva verso il basso.
Finalmente, riuscì a dimostrare che i raggi non sono altro che particelle caricate negativamente.
Conclusione
Concludeva:
Come i raggi catodici portano una carica di elettricità negativa, sono deviati da una forza elettrostatica come se fossero negativamente elettrificati e sono agiti da una forza magnetica proprio nel modo in cui questa forza agirebbe su un corpo negativamente elettrificato che si muove lungo il percorso di questi raggi, non vedo scampo dalla conclusione che essi sono cariche di elettricità negativa trasportate da particelle di materia.
Nota: Una domanda, che può ossessionare i lettori, è quella del perché il raggio deviava quando il vuoto nel tubo veniva aumentato. L’alta differenza di potenziale tra gli elettrodi ha ionizzato le molecole di gas residue in elettroni e ioni liberi, alias carica spaziale. Questi elettroni e ioni liberi schermavano elettricamente il campo elettrico esterno nel caso di Hertz. In questo modo, si otteneva un campo elettrico smorzato, e il raggio rimaneva inalterato dal campo elettrico. Ma nel caso di Thomson, a causa del vuoto superiore, la densità della carica spaziale era molto inferiore. E non ostacolavano significativamente il campo elettrico.
Esperimento 3: Rapporto massa/carica (e/m)
Dopo aver dimostrato le proprietà elettrostatiche dei raggi catodici, Thomson era ancora curioso di queste particelle. Si chiedeva cosa fossero queste particelle, se fossero atomi o molecole, o qualche entità sconosciuta ancora da scoprire. Per trovare risposte a queste domande, eseguì il terzo esperimento. In questo esperimento, misurò il rapporto massa/carica delle particelle.
L’apparato sperimentale per questo esperimento era lo stesso del precedente. Inoltre, ha applicato un campo magnetico mettendo i poli di un elettromagnete intorno al tubo come mostrato nella figura precedente.
Il campo magnetico è stato applicato in modo che fosse perpendicolare sia al campo elettrico che ai raggi catodici. Questo è rappresentato nella figura qui sotto.
Inizialmente, egli applicò il solo campo elettrico, che defletteva il raggio in una particolare direzione. Questa deflessione elettrica fu misurata da lui. E poi il campo magnetico è stato variato fino a quando il fascio è tornato al percorso originale, cioè è rimasto indefinito. A questa condizione, la forza magnetica e la forza elettrica si erano annullate a vicenda. Erano uguali in grandezza ma opposte in direzione.
Ha calcolato il rapporto massa-carica (m⁄e) usando l’espressione seguente.
Qui, E e H sono l’intensità del campo elettrico e l’intensità del campo magnetico, l è la lunghezza delle piastre e θ è la deflessione quando viene applicato solo il campo elettrico. Tutti questi parametri erano noti.
Prova di m/e
Lasciamo che:
- D sia la piastra collegata al terminale positivo di una batteria ed E collegata al terminale negativo.
- FE sia la forza esercitata dal campo elettrico.
- FH sia la forza esercitata dal campo magnetico.
- s sia lo spostamento verticale del raggio all’estremità delle piastre.
- l sia la lunghezza di una piastra.
- θ è la deflessione nel campo elettrico.
- v è la velocità costante del raggio quando entra nel campo elettrico.
- O è l’origine.
- T è il tempo trascorso dai raggi catodici nel campo elettrico.
Questa notazione è rappresentata nella figura seguente.
Quando la forza elettrica e la forza magnetica si annullano a vicenda, i raggi sono indefiniti. Quindi, la forza netta sui raggi è zero.
Sappiamo che FE = eE e FH = -evH. Il segno negativo mostra che le forze sono in direzione opposta.
Lo spostamento dalle formule cinematiche è
Nella direzione x, la velocità iniziale è v e l’accelerazione è zero.
Sostituendo il valore di v nella precedente equazione,
Quando t = T, x = l.
Nella direzione y, la velocità iniziale è zero, ma il raggio accelera man mano che avanza nel campo elettrico.
L’accelerazione è forza divisa massa.
Sostituendo il valore di a,
Quando t = T, y = s.
Eliminando T,
Quindi, il rapporto massa-carica è il seguente: 
Per valori più piccoli di θ, 
.
Infine,
Il valore del rapporto riportato da Thomson nel suo articolo è (1,29 ± 0,17) × 10-7.
Il reciproco di m⁄e dà il rapporto carica/massa (e⁄m). Il valore di e⁄m raccomandato da CODATA è 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson ha anche notato che il suo valore calcolato di m⁄e era indipendente dal gas nel tubo di scarica e dal metallo usato del catodo. Questo dava anche l’idea che le particelle fossero parte integrante degli atomi.
Ha anche notato che il valore di m⁄e era circa 1000 volte più piccolo di quello degli ioni di idrogeno. Il valore di m⁄e degli ioni di idrogeno stimato a quel tempo era circa 10-4. Ciò implicava che la massa delle particelle era molto più piccola di quella degli ioni di idrogeno o che erano molto cariche. Lenard aveva determinato che l’intervallo, che è strettamente associato al percorso libero medio per le collisioni, dei raggi catodici; era di 0,5 cm. D’altra parte, il percorso libero medio delle molecole d’aria era di 10-5 cm, che è molto piccolo in confronto alla gamma dei raggi catodici. Pertanto, sostenne che le dimensioni di queste particelle dovevano essere molto più piccole delle molecole d’aria.
Conclusione
Thomson chiamò queste particelle come corpuscoli, più tardi furono rinominati come elettroni. Egli concluse che i corpuscoli erano più piccoli della dimensione degli atomi e che erano parte integrante di un atomo.
Sulla base di questi risultati sperimentali Thomson propose anche il suo modello del budino di prugne. Fu insignito del Premio Nobel per la Fisica.
Ipotesi di Thomson
Thomson presentò tre ipotesi dai suoi esperimenti.
- I raggi catodici sono composti da particelle caricate negativamente chiamate corpuscoli.
- L’atomo è composto da questi corpuscoli.
- Questi corpuscoli sono l’unica parte integrante di un atomo.
La terza ipotesi fu dimostrata errata più tardi, quando il suo stesso studente Rutherford propose la presenza del nucleo carico positivamente in un atomo.
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