J. J. Thomson’s Cathode Ray Tube Experiments

Sir Joseph John Thomson był brytyjskim fizykiem i laureatem Nagrody Nobla. Był znany z odkrycia elektronu. W 1897 roku wykazał, że promienie katodowe składają się z bardzo małych ujemnie naładowanych cząstek. Cząstki te zostały później nazwane elektronami. Aparatura jego eksperymentu nazywana jest lampą katodową (CRT).

J. J. Thomson nie był jedynym, który pracował nad promieniami katodowymi, ale kilku innych graczy, takich jak Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard, przyczyniło się do tego lub było zajętych jego badaniem. Jednak wkład Thomsona pozostaje bardziej znaczący niż pozostałych. Jego wyniki eksperymentalne były dalej badane przez Rutherforda i Bohra, co dostarczyło ważnych spostrzeżeń na temat świata atomowego.

Promień katodowy i lampa elektronopromieniowa

Przed bezpośrednim przeskoczeniem ustaleń Thomsona, zrozumiejmy kilka podstawowych wiadomości na temat promieni katodowych i lampy elektronopromieniowej.

Co to są promienie katodowe? Promienie katodowe to strumienie elektronów emitowane z katody (elektrody połączonej z ujemnym biegunem baterii). Promienie te poruszają się w liniach prostych i mogą być odchylane przez pole elektryczne i magnetyczne.

Katodowa lampa elektronowa (CRT) jest wydrążoną szklaną rurką. Powietrze w rurze jest wypompowywane w celu wytworzenia próżni.

Kineskop składa się z następujących części:

1. Elektron emitujący (lub działo elektronowe): Działo elektronowe składa się przede wszystkim z grzałki i katody. Emituje ona ostrą wiązkę elektronów, promienie katodowe. W nowoczesnych kineskopach, wiązka elektronów jest generowana przez emisję termionową – przy użyciu żarnika grzejnego – jak pokazano na powyższym schemacie. Jednak mechanizm emisji zimnej katody był stosowany w eksperymentach Thomsona.
2. Układ skupiający i przyspieszający: Zbudowany jest z szeregu anod. Powoduje on zawężenie wiązki i zwiększenie jej energii kinetycznej.
3. Układ odchylający: Kontroluje kierunek wiązki elektronów. Osiąga się to dzięki zewnętrznemu polu elektrycznemu i magnetycznemu. Promienie katodowe uginają się, gdy oddziałują z tymi polami.
4. Powłoka fosforescencyjna: Jest to końcowa część kineskopu, w którą uderzają promienie, tworząc poświatę.

Doświadczenia Thomsona

W tamtych czasach fizycy nie mieli pewności, czy promienie katodowe były niematerialne jak światło, czy też były materialne. Istniało wiele różnych opinii na temat tych promieni. Według niektórych z nich, promienie te są wynikiem jakiegoś procesu w eterze. Niematerialna natura i hipoteza eterowa promieni katodowych zostały udowodnione przez J.J. Thomsona. Stwierdził on, że promienie składają się z cząsteczek. Całość jego prac można podzielić na trzy różne eksperymenty. W pierwszym z nich badano wpływ magnetyczny na promienie katodowe, w drugim zaś promienie były odchylane przez pole elektryczne. W ostatnim eksperymencie udało mu się zmierzyć stosunek masy do ładunku.

Doświadczenie 1: Odchylenie magnetyczne

Przyrząd do eksperymentu składał się z dwóch metalowych cylindrów. Cylindry były umieszczone współosiowo i izolowane od siebie. Zewnętrzny cylinder był uziemiony, podczas gdy wewnętrzny był podłączony do elektrometru w celu wykrycia jakiegokolwiek prądu elektrycznego, jak pokazano na poniższym rysunku. Oba cylindry miały otwory lub szczeliny. Gdy pomiędzy katodą (A na rysunku) i anodą (B na rysunku) przyłożono wysoką różnicę potencjałów, promienie katodowe, które były wytwarzane w lewej rurce, emitowane były z katody i wchodziły do głównego dzwonu. Promienie nie wchodziły do cylindrów, chyba że były odchylane przez pole magnetyczne.

Śledził drogę promieni używając fluorescencji na kwadratowym ekranie w słoju. Gdy promienie zostały ugięte przez pole magnetyczne, przeniknęły do cylindrów przez szczeliny. I obecność ładunku ujemnego została wykryta w elektrometrze. Jeśli te promienie były dalej ugięte, to prześwietlały szczeliny i elektrometr nie pokazywał żadnych odczytów. „Tak więc ten eksperyment pokazuje, że jakkolwiek byśmy nie skręcali i nie odchylali promieni katodowych siłami magnetycznymi, ujemne naelektryzowanie podąża tą samą drogą co promienie i że to ujemne naelektryzowanie jest nierozerwalnie związane z promieniami katodowymi”, cytował Thomson.

Co więcej, powtórzył eksperyment z różnymi materiałami i gazami i stwierdził, że odchylenie promieni było takie samo niezależnie od użytych materiałów i gazów.

Wnioski

Po tym eksperymencie doszedł do dwóch głównych punktów.

1. Promienie katodowe były odchylane przez pole magnetyczne w taki sam sposób, jak gdyby składały się z ujemnie naładowanych cząstek.
2. Promienie były niezależne od materiału elektrod i gazu w słoiku.

Doświadczenie 2: Odchylenie elektryczne

Pierwszy eksperyment wykazał, że promienie katodowe zachowują się jak ujemnie naładowane cząstki pod wpływem pola magnetycznego. Stwierdzenie to stało się niewystarczające, gdy promienie katodowe nie uległy odchyleniu w polu elektrycznym. Zaobserwował to Hertz na długo przed Thomsonem. Powstał więc dylemat, czy promienie katodowe są ujemnie naładowanymi cząstkami, czy nie. Thomson postanowił zbadać tę kwestię w innym eksperymencie.

Thomson skonstruował zmodyfikowaną rurę Crookesa, jak pokazano na powyższym rysunku. Gdy pomiędzy katodą a anodą przyłożono wysoką różnicę potencjałów, na katodzie (C na rysunku) powstawały promienie katodowe. Gdy promienie te przechodziły przez anodę (A na rysunku), a następnie przez szczelinę B, która była uziemiona, promienie te ulegały wyostrzeniu. Wąska wiązka promieni przechodziła przez aluminiowe płytki (D i E) i w końcu uderzała w ekran fosforescencyjny, dając jasną plamę. Ekran był skalowany, więc można było zmierzyć odchylenie wiązki.

Gdy Hertz przyłożył pole elektryczne pomiędzy płytkami, nie zauważył żadnego odchylenia wiązki. Stąd wywnioskował, że na promienie katodowe nie ma wpływu pole elektryczne.

Po Hertzu, kiedy Thomson przeprowadził ten sam eksperyment, również znalazł podobne wyniki. Powtórzył ten sam eksperyment pod znacznie niższym ciśnieniem niż poprzednio. Tym razem wiązka została odchylona przez pole elektryczne. Gdy górna płytka była podłączona do dodatniego bieguna baterii, a dolna do ujemnego, promień odchylił się do góry. Jeśli biegunowość płyt została odwrócona, wiązka odchyliła się w dół.

W końcu udało mu się udowodnić, że wiązki są niczym innym jak ujemnie naładowanymi cząstkami.

Wniosek

Wyciągnął następujący wniosek:

Jako że promienie katodowe niosą ładunek ujemnej elektryczności, są odchylane przez siłę elektrostatyczną tak, jakby były naelektryzowane ujemnie i działają na nie siły magnetyczne dokładnie w taki sposób, w jaki siła ta działałaby na naelektryzowane ujemnie ciało poruszające się wzdłuż drogi tych promieni, nie widzę ucieczki od wniosku, że są one ładunkami ujemnej elektryczności niesionymi przez cząstki materii.

Doświadczenie 3: Stosunek masy do ładunku (e/m)

Po wykazaniu elektrostatycznych właściwości promieni katodowych Thomson nadal był ciekaw tych cząstek. Zastanawiał się, czym są te cząstki, czy są to atomy, czy molekuły, czy też jakieś nieznane byty, które trzeba jeszcze odkryć. Aby znaleźć odpowiedzi na takie pytania, przeprowadził trzeci eksperyment. W tym eksperymencie zmierzył stosunek masy do ładunku cząstek.

Aparatura doświadczalna do tego eksperymentu była taka sama jak do poprzedniego. Dodatkowo, zastosował pole magnetyczne poprzez umieszczenie biegunów elektromagnesu wokół rury, jak pokazano na powyższym rysunku.

Pole magnetyczne zostało zastosowane w taki sposób, że było prostopadłe zarówno do pola elektrycznego jak i promieni katodowych. Jest to przedstawione na poniższym rysunku.

Początkowo zastosował on jedyne pole elektryczne, które odchyliło wiązkę w określonym kierunku. To elektryczne odchylenie było przez niego mierzone. Następnie pole magnetyczne było zmieniane tak długo, aż wiązka powróciła na pierwotną drogę, tj. pozostała nieodkształcona. W tym stanie siła magnetyczna i siła elektryczna zniosły się wzajemnie. Były one równe co do wielkości, ale przeciwne co do kierunku.

Obliczył stosunek masy do ładunku (m⁄e) używając poniższego wyrażenia.

Tutaj, E i H są natężeniem pola elektrycznego i natężeniem pola magnetycznego, l jest długością płyt, a θ jest ugięciem, gdy przyłożone jest tylko pole elektryczne. Wszystkie te parametry były znane.

Dowód m/e

Pozwólmy:

1. D być płytą podłączoną do dodatniego bieguna baterii i E podłączoną do bieguna ujemnego.
2. FE oznacza siłę wywieraną przez pole elektryczne.
3. FH oznacza siłę wywieraną przez pole magnetyczne.
4. s oznacza pionowe przesunięcie belki na końcach płyt.
5. l oznacza długość płyty.
6. θ oznacza ugięcie w polu elektrycznym.
7. v oznacza stałą prędkość wiązki, gdy wchodzi ona w pole elektryczne.
8. O oznacza początek.
9. T oznacza czas spędzony przez promienie katodowe w polu elektrycznym.

Ta notacja jest przedstawiona na poniższym rysunku.

Gdy siła elektryczna i siła magnetyczna znoszą się wzajemnie, promienie są nieodkształcone. Zatem siła netto działająca na promienie wynosi zero.

Wiemy, że FE = eE i FH = -evH. Ujemny znak wskazuje, że siły działają w przeciwnym kierunku.

Przemieszczenie ze wzorów kinematycznych wynosi

W kierunku x prędkość początkowa wynosi v, a przyspieszenie zero.

Substytuując wartość v w powyższym równaniu,

Gdy t = T, x = l.

W kierunku y prędkość początkowa jest zerowa, ale wiązka przyspiesza w miarę posuwania się w polu elektrycznym.

Przyspieszenie to siła podzielona przez masę.

Substytuując wartość a,

Gdy t = T, y = s.

Eliminując T,

Więc stosunek masy do ładunku jest następujący:

Dla mniejszych wartości θ, .

Wreszcie,

Wartość stosunku podana przez Thomsona w jego pracy wynosi (1,29 ± 0,17) × 10-7.

Odwrotność m⁄e daje stosunek ładunku do masy (e⁄m). Wartość e⁄m zalecana przez CODATA wynosi 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.

Thomson zauważył również, że obliczona przez niego wartość m⁄e była niezależna od gazu w rurze wyładowczej i metalu użytego do budowy katody. Dało to również przypuszczenie, że cząsteczki były integralną częścią atomów.

Zauważył również, że wartość m⁄e była około 1000 razy mniejsza niż wartość jonów wodoru. Oszacowana wówczas wartość m⁄e jonów wodoru wynosiła około 10-4. Sugerowało to, że masa cząsteczek była znacznie mniejsza niż masa jonów wodorowych lub były one silnie naładowane. Lenard wyznaczył zasięg, który jest ściśle związany ze średnią drogą swobodną zderzeń, promieni katodowych; wynosił on 0,5 cm. Z drugiej strony, średnia droga swobodna cząsteczek powietrza wynosiła 10-5 cm, co jest bardzo małe w porównaniu z zasięgiem promieni katodowych. Dlatego twierdził, że rozmiar tych cząstek musi być znacznie mniejszy niż cząsteczek powietrza.

Wniosek

Thomson nazwał te cząstki korpuskułami, później zmieniono ich nazwę na elektrony. Stwierdził, że korpuskuły były mniejsze niż rozmiary atomów i stanowiły integralną część atomu.

Na podstawie tych wyników eksperymentalnych Thomson zaproponował również swój model budyniu śliwkowego. Został on uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Hipotezy Thomsona

Thomson przedstawił trzy hipotezy wynikające z jego eksperymentów.

1. Promienie katodowe składają się z ujemnie naładowanych cząstek zwanych korpuskułami.
2. Atom składa się z tych korpuskuł.
3. Korpusy te są jedyną integralną częścią atomu.

Trzecia hipoteza została później udowodniona jako błędna, gdy jego własny uczeń Rutherford zaproponował obecność dodatnio naładowanego jądra w atomie.

Przypisy

• Liczba atomowa

.