J. J. Thomson’s Cathode Ray Tube Experiments

Sir Joseph John Thomson was een Brits natuurkundige en Nobelprijswinnaar. Hij was bekend door de ontdekking van het elektron. In 1897 toonde hij aan dat kathodestralen bestonden uit zeer kleine negatief geladen deeltjes. Deze deeltjes werden later elektronen genoemd. Het apparaat van zijn experiment wordt de kathodestraalbuis (CRT) genoemd.

J. J. Thomson was niet de enige die aan kathodestralen werkte, maar verschillende andere spelers zoals Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard hadden er aan bijgedragen of waren er druk mee bezig. De bijdragen van Thomson blijven echter belangrijker dan de rest. Zijn experimentele resultaten werden verder onderzocht door Rutherford en Bohr, wat verder belangrijke inzichten verschafte in de atoomwereld.

Kathodestraal en kathodestraalbuis

Voordat we direct op Thomson’s bevindingen springen, laten we eerst wat basiskennis begrijpen over kathodestralen en de kathodestraalbuis.

Wat zijn kathodestralen? Kathodestralen zijn stromen elektronen die worden uitgezonden door de kathode (de elektrode die is verbonden met de negatieve pool van een batterij). Deze stralen lopen in rechte lijnen en kunnen worden afgebogen door elektrische en magnetische velden.

De kathodestraalbuis (CRT) is een holle glazen buis. De lucht in de buis wordt weggepompt om een vacuüm te creëren.

De CRT bestaat uit de volgende onderdelen:

1. Elektronstraler (of elektronenkanon): Het elektronenkanon bestaat hoofdzakelijk uit een verwarmingselement en een kathode. Het zendt de scherpe elektronenbundel, kathodestralen, uit. In moderne CRT’s wordt de elektronenbundel opgewekt door thermionische emissie – met behulp van een verwarmingsfilament – zoals in bovenstaand schema is aangegeven. Het mechanisme van de koude-kathode-emissie werd echter gebruikt in de experimenten van Thomson.
2. Focusseer- en versnellersysteem: Het bestaat uit een reeks anoden. Het vernauwt de bundel en verhoogt zijn kinetische energie.
3. Deflectiesysteem: Het regelt de richting van de elektronenbundel. Dit wordt bereikt door een extern elektrisch en magnetisch veld. Kathodestralen buigen af als zij in wisselwerking staan met deze velden.
4. Fosforescerende coating: Dit is het laatste deel van de CRT, waar de stralen inslaan om een gloed te creëren.

Thomson’s experimenten

In die tijd was het voor natuurkundigen onduidelijk of kathodestralen immaterieel waren zoals licht of materieel waren. Er waren veel verschillende meningen over deze stralen. Volgens sommigen zijn de stralen het gevolg van een of ander proces in de aether. De onstoffelijke aard en de aether-hypothese van kathodestralen werden door J.J. Thomson onjuist bewezen. Hij concludeerde dat de stralen uit deeltjes bestonden. Zijn gehele werk kan worden onderverdeeld in drie verschillende experimenten. In het eerste werd het magnetische effect op kathodestralen bestudeerd, terwijl in het tweede de stralen werden afgebogen door een elektrisch veld. In het laatste experiment slaagde hij erin de verhouding massa/lading te meten.

Experiment 1: Magnetische afbuiging

Het experimenteerapparaat bestond uit twee metalen cilinders. De cilinders waren coaxiaal geplaatst en van elkaar geïsoleerd. De buitenste cilinder was geaard, terwijl de binnenste was verbonden met een elektrometer om eventuele elektrische stroom te detecteren, zoals weergegeven in de onderstaande figuur. Beide cilinders waren voorzien van gaten of gleuven. Wanneer tussen de kathode (A in het diagram) en de anode (B in het diagram) een hoog potentiaalverschil werd aangelegd, kwamen de kathodestralen, die in de linker buis werden opgewekt, uit de kathode in de hoofdstolp terecht. De stralen kwamen niet in de cilinders tenzij ze werden afgebogen door een magnetisch veld.

Hij traceerde de weg van de stralen aan de hand van de fluorescentie op een vierkant scherm in de pot. Wanneer de stralen door een magnetisch veld werden afgebogen, infiltreerden zij door de spleten in de cilinders. En de aanwezigheid van negatieve lading werd gedetecteerd in de elektrometer. Werden deze stralen verder gebogen, dan gingen zij de spleten voorbij en de elektrometer gaf geen meetwaarden. “Dit experiment toont dus aan dat, hoe we de kathodestralen ook verdraaien en afbuigen door magnetische krachten, de negatieve elektrificatie hetzelfde pad volgt als de stralen en dat deze negatieve elektrificatie onverbrekelijk verbonden is met de kathodestralen,” citeerde Thomson.

Daarnaast herhaalde hij het experiment met verschillende materialen en gassen en ontdekte dat de afbuiging van de stralen hetzelfde was, ongeacht de gebruikte materialen en gassen.

Conclusies

Hij kwam na dit experiment tot de twee hoofdpunten.

1. Kathodestralen werden door een magnetisch veld op dezelfde wijze afgebogen als wanneer zij uit negatief geladen deeltjes bestonden.
2. De stralen waren onafhankelijk van het materiaal van de elektroden en het gas in de pot.

Experiment 2: Elektrische afbuiging

Het eerste experiment toonde wel het gedrag van kathodestralen aan als negatief geladen deeltjes onder een magnetisch veld. Deze verklaring werd ongeldig toen kathodestralen er niet in slaagden af te buigen in een elektrisch veld. Dit werd waargenomen door Hertz, ruim vóór Thomson. Dit resulteerde in een dilemma of kathodestralen negatief geladen deeltjes zijn of niet. Thomson besloot dit verder te onderzoeken door middel van een ander experiment.

Thomson construeerde een aangepaste Crookes-buis zoals afgebeeld in de bovenstaande figuur. Wanneer een hoog potentiaalverschil werd aangelegd tussen de kathode en de anode, werden kathodestralen opgewekt aan de kathode (C in het diagram). Toen deze stralen door de anode (A in het diagram) gingen en later door spleet B, die geaard was, werden de stralen scherper. Deze smalle bundel plantte zich voort door aluminium platen (D en E) en trof uiteindelijk het fosforescerende scherm om een heldere vlek te produceren. Het scherm werd op schaal gebracht, zodat de afbuiging van de straal kon worden gemeten.

Wanneer Hertz een elektrisch veld tussen de platen had aangebracht, merkte hij geen afbuiging van de straal op. Vandaar dat hij concludeerde dat kathodestralen niet worden beïnvloed door een elektrisch veld.

Na Hertz, toen Thomson hetzelfde experiment uitvoerde, vond hij ook de vergelijkbare resultaten. Hij herhaalde hetzelfde experiment onder veel lagere druk dan het vorige. Deze keer werd de straal afgebogen door een elektrisch veld. Wanneer de bovenste plaat aan de positieve pool van de batterij werd bevestigd en de onderste plaat aan de negatieve pool, werd de straal naar boven afgebogen. Wanneer de polariteit van de platen werd omgekeerd, zou de straal naar beneden afbuigen.

Ten slotte slaagde hij erin te bewijzen dat de straal niets anders is dan negatief geladen deeltjes.

Conclusie

Hij concludeerde:

Aangezien de kathodestralen een lading negatieve elektriciteit dragen, door een elektrostatische kracht worden afgebogen alsof zij negatief geëlektriseerd zijn en door een magnetische kracht worden beïnvloed op precies dezelfde wijze als deze kracht zou werken op een negatief geëlektriseerd lichaam dat zich langs het pad van deze stralen beweegt, zie ik geen ontkomen aan de conclusie dat het ladingen negatieve elektriciteit zijn die door materiedeeltjes worden gedragen.

Experiment 3: verhouding massa/lading (e/m)

Nadat hij de elektrostatische eigenschappen van kathodestralen had aangetoond, was Thomson nog steeds nieuwsgierig naar deze deeltjes. Hij vroeg zich af wat deze deeltjes waren, of het atomen of moleculen waren, of onbekende entiteiten die hij nog moest ontdekken. Om antwoorden op dergelijke vragen te vinden, voerde hij het derde experiment uit. Bij dit experiment mat hij de verhouding tussen de massa en de lading van de deeltjes.

De experimentele apparatuur voor dit experiment was dezelfde als die voor het vorige experiment. Bovendien bracht hij een magnetisch veld aan door de polen van een elektromagneet rond de buis te plaatsen, zoals in bovenstaande figuur is aangegeven.

Het magnetisch veld werd zodanig aangebracht dat het loodrecht stond op zowel het elektrische veld als de kathodestralen. Dit is weergegeven in de onderstaande figuur.

In eerste instantie bracht hij het enige elektrische veld aan, waardoor de bundel in een bepaalde richting werd afgebogen. Deze elektrische afbuiging werd door hem gemeten. Vervolgens werd het magnetisch veld gevarieerd totdat de straal terugkeerde naar het oorspronkelijke pad, d.w.z. dat hij niet werd afgebogen. In deze toestand hadden de magnetische kracht en de elektrische kracht elkaar opgeheven. Zij waren gelijk in grootte maar tegengesteld in richting.

Hij berekende de verhouding massa/lading (m⁄e) met behulp van onderstaande uitdrukking.

Hierbij zijn E en H de elektrische veldsterkte en de magnetische veldsterkte, l de lengte van de platen, en θ de afbuiging wanneer alleen het elektrische veld wordt aangelegd. Al deze parameters waren bekend.

Bewijs van m/e

Let:

1. D is de plaat die is verbonden met de positieve pool van een batterij en E is verbonden met de negatieve pool.
2. FE de kracht is die wordt uitgeoefend door het elektrisch veld.
3. FH de kracht is die wordt uitgeoefend door het magnetisch veld.
4. s de verticale verplaatsing is van de balk aan het uiteinde van de platen.
5. l de lengte is van een plaat.
6. θ de doorbuiging in het elektrisch veld.
7. v de constante snelheid van de bundel wanneer deze het elektrisch veld binnengaat.
8. O de oorsprong.
9. T de tijd die de kathodestralen in het elektrisch veld doorbrengen.

Deze notatie is weergegeven in de onderstaande figuur.

Wanneer de elektrische kracht en de magnetische kracht elkaar opheffen, zijn de stralen niet afgebogen. De nettokracht op de stralen is dus nul.

We weten dat FE = eE en FH = -evH. Het negatieve teken geeft aan dat de krachten in tegengestelde richting werken.

De verplaatsing uit de kinematische formules is

In de x-richting is de beginsnelheid v en de versnelling nul.

Substitueer de waarde van v in de bovenstaande vergelijking,

Wanneer t = T, x = l.

In de y-richting is de beginsnelheid nul, maar de bundel versnelt naarmate hij verder komt in het elektrische veld.

Versnelling is kracht gedeeld door massa.

Substitueren we de waarde van a,

Wanneer t = T, y = s.

Elimineren van T,

Dan is de verhouding massa/lading als volgt:

Voor kleinere waarden van θ, .

Tot slot,

De waarde van de verhouding die Thomson in zijn paper rapporteerde is (1,29 ± 0,17) × 10-7.

De reciproke van m⁄e geeft de verhouding tussen massa en lading (e⁄m). De door CODATA aanbevolen waarde van e⁄m is 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.

Thomson merkte ook op dat zijn berekende waarde van m⁄e onafhankelijk was van het gas in de ontladingsbuis en het gebruikte metaal van de kathode. Dit gaf ook een aanwijzing dat deeltjes een integraal deel uitmaakten van atomen.

Hij merkte ook op dat de waarde van m⁄e ongeveer 1000 maal kleiner was dan de waarde van waterstofionen. De waarde van m⁄e van waterstofionen werd in die tijd geschat op ongeveer 10-4. Dit impliceerde dat de massa van de deeltjes veel kleiner was dan die van waterstofionen of zwaar geladen was. Lenard had het bereik, dat nauw samenhangt met het gemiddelde vrije pad voor botsingen, van kathodestralen bepaald; het was 0,5 cm. Anderzijds was de gemiddelde vrije baan van luchtmoleculen 10-5 cm, hetgeen zeer klein is in vergelijking met het bereik van kathodestralen. Daarom stelde hij dat de grootte van deze deeltjes veel kleiner moet zijn dan die van de luchtmoleculen.

Conclusie

Thomson noemde deze deeltjes corpuskels, later werden ze omgedoopt tot elektronen. Hij concludeerde dat de corpuskels kleiner waren dan de grootte van de atomen en integraal deel uitmaakten van een atoom.

Op basis van deze experimentele resultaten stelde Thomson ook zijn plum pudding model voor. Hij kreeg de Nobelprijs voor Natuurkunde.

Thomsons hypothesen

Thomson presenteerde op grond van zijn experimenten drie hypothesen.

1. Kathodestralen zijn opgebouwd uit negatief geladen deeltjes die corpuskels worden genoemd.
2. Het atoom bestaat uit deze corpuskels.
3. Deze corpuskels zijn het enige integrale deel van een atoom.

De derde hypothese werd later onjuist bewezen toen zijn eigen leerling Rutherford de aanwezigheid van de positief geladen kern in een atoom voorstelde.

Gerelateerde artikelen

• Atoomnummer