J. J. Thomson’s Cathode Ray Tube Experiments

Sir Joseph John Thomson a fost un fizician britanic și laureat al Premiului Nobel. El a fost cunoscut pentru descoperirea electronului. În 1897, el a demonstrat că razele catodice erau compuse din particule foarte mici încărcate negativ. Aceste particule au fost numite ulterior electroni. Aparatura experimentului său se numește tub catodic (CRT).

J. J. Thomson nu a fost singurul care a lucrat la raze catodice, ci alți câțiva actori precum Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes, Philipp Lenard au contribuit sau erau ocupați cu studierea acestuia. Cu toate acestea, contribuțiile lui Thomson rămân mai importante decât ale celorlalți. Rezultatele sale experimentale au fost studiate în continuare de Rutherford și Bohr, care au oferit în continuare informații importante despre lumea atomică.

Rayele catodice și tubul catodic

Înainte de a sări direct la descoperirile lui Thomson, haideți să înțelegem câteva cunoștințe de bază despre razele catodice și tubul catodic.

Ce sunt razele catodice? Razele catodice sunt fluxuri de electroni emiși de la catod (electrodul conectat la borna negativă a unei baterii). Aceste raze se deplasează în linii drepte și pot fi deviate de un câmp electric și magnetic.

Tubul catodic (CRT) este un tub de sticlă gol. Aerul din tub este pompat afară pentru a crea un vid.

CRT-ul este format din următoarele părți:

1. Emițător de electroni (sau tun de electroni): Tunul de electroni este format în principal din încălzitor și catod. Acesta emite fasciculul de electroni ascuțiți, raze catodice. La CRT-urile moderne, fasciculul de electroni este generat prin emisie termoionică – folosind un filament de încălzire – așa cum se arată în diagrama de mai sus. Cu toate acestea, mecanismul de emisie cu catod rece a fost utilizat în experimentele lui Thomson.
2. Sistem de focalizare și accelerare: Este alcătuit dintr-o serie de anozi. Acesta va îngusta fasciculul și îi va crește energia cinetică.
3. Sistem de deviere: Acesta controlează direcția fasciculului de electroni. Acest lucru se realizează cu ajutorul unui câmp electric și magnetic extern. Razele catodice se îndoaie pe măsură ce interacționează cu aceste câmpuri.
4. Înveliș fosforescent: Este partea finală a tubului catodic, unde razele lovesc pentru a crea o strălucire.

Experimentele lui Thomson

În acele vremuri, fizicienii nu știau dacă razele catodice erau imateriale ca lumina sau erau materiale. În legătură cu aceste raze existau multe opinii diverse. Potrivit unora, razele se datorau unui proces din eter. Natura imaterială și ipoteza eterială a razelor catodice au fost dovedite ca fiind greșite de J. J. Thomson. Acesta a ajuns la concluzia că razele erau alcătuite din particule. Întreaga sa lucrare poate fi împărțită în trei experimente diferite. În primul, a fost studiat efectul magnetic asupra razelor catodice, iar în cel de-al doilea, razele au fost deviate de un câmp electric. În ultimul experiment, el a reușit să măsoare raportul dintre masă și sarcină.

Experimentul 1: Devierea magnetică

Aparatura experimentului era formată din doi cilindri de metal. Cilindrii erau plasați coaxial și izolați unul față de celălalt. Cilindrul exterior a fost pus la masă, în timp ce cel interior a fost atașat la un electrometru pentru a detecta orice curent electric, așa cum se arată în figura de mai jos. Ambii cilindri aveau găuri sau fante. Când se aplica o diferență mare de potențial între catod (A în diagramă) și anod (B în diagramă), razele catodice, care erau produse în tubul din stânga, se emiteau din catod și intrau în clopotul principal. Razele nu intrau în cilindri decât dacă erau deviate de un câmp magnetic.

A urmărit traseul razelor folosind fluorescența pe un ecran pătrat din borcan. Când razele au fost curbate de un câmp magnetic, ele se infiltrează în cilindri prin fante. Iar prezența încărcăturii negative a fost detectată în electrometru. Dacă aceste raze erau mai mult îndoite, ele depășeau fantele și electrometrul nu reușea să afișeze nicio citire. „Astfel, acest experiment arată că, oricât am răsuci și devia razele catodice prin forțe magnetice, electrificarea negativă urmează același traseu ca și razele și că această electrificare negativă este indisolubil legată de razele catodice”, a citat Thomson.

Mai mult, el a repetat experimentul cu diferite materiale și gaze și a constatat că devierea razelor era aceeași indiferent de materialele și gazele folosite.

Concluzii

El a ajuns la cele două puncte principale după acest experiment.

1. Razele catodice au fost deviate de un câmp magnetic în același mod ca și cum ar fi fost alcătuite din particule încărcate negativ.
2. Razele erau independente de materialul electrozilor și de gazul din borcan.

Experimentul 2: Devierea electrică

Primul experiment a demonstrat într-adevăr comportamentul razelor catodice ca și cum ar fi particule încărcate negativ sub acțiunea unui câmp magnetic. Această afirmație a devenit deficitară atunci când razele catodice nu au reușit să devieze într-un câmp electric. Acest lucru a fost observat de Hertz cu mult înaintea lui Thomson. Acest lucru a dus la o dilemă dacă razele catodice sunt sau nu particule cu sarcină negativă. Thomson a decis să investigheze mai departe printr-un alt experiment.

Thomson a construit un tub Crookes modificat, așa cum este descris în figura de mai sus. Când a fost aplicată o diferență mare de potențial între catod și anod, la catod (C în diagramă) au fost generate raze catodice. Pe măsură ce aceste raze treceau prin anod (A în diagramă) și apoi prin fanta B, care era împământată, razele se ascuțeau. Această rază îngustă s-a propagat prin plăci de aluminiu (D și E) și, în final, a lovit ecranul fosforescent pentru a produce o pată luminoasă. Ecranul a fost scalat, astfel încât să poată fi măsurată devierea fasciculului.

Când Hertz a aplicat un câmp electric între plăci, el nu a observat nicio deviere a fasciculului. Prin urmare, el a concluzionat că razele catodice nu sunt afectate de un câmp electric.

După Hertz, când Thomson a efectuat același experiment, a constatat și el rezultate similare. El a repetat același experiment la o presiune mult mai mică decât cea anterioară. De data aceasta raza a fost deviată de un câmp electric. Când placa superioară a fost atașată la borna pozitivă a bateriei și placa inferioară la borna negativă, fasciculul a fost deviat în sus. Dacă polaritatea plăcilor era inversată, fasciculul era deviat în jos.

În cele din urmă, el a reușit să demonstreze că fasciculele nu sunt altceva decât particule încărcate negativ.

Concluzie

El a concluzionat:

Cum razele catodice poartă o sarcină de electricitate negativă, sunt deviate de o forță electrostatică ca și cum ar fi electrizate negativ și sunt acționate de o forță magnetică exact în modul în care această forță ar acționa asupra unui corp electrizat negativ care se deplasează pe traiectoria acestor raze, nu văd nicio scăpare de la concluzia că ele sunt sarcini de electricitate negativă purtate de particule de materie.

Experimentul 3: Raportul masă/încărcare (e/m)

După ce a demonstrat proprietățile electrostatice ale razelor catodice, Thomson era încă curios în legătură cu aceste particule. El s-a întrebat ce erau aceste particule, dacă erau atomi sau molecule, sau unele entități necunoscute care încă nu au fost descoperite. Pentru a găsi răspunsuri la astfel de întrebări, a efectuat cel de-al treilea experiment. În acest experiment, el a măsurat raportul dintre masa și sarcina particulelor.

Aparatura experimentală pentru acest experiment a fost aceeași ca și cea precedentă. În plus, el a aplicat un câmp magnetic prin plasarea polilor unui electromagnet în jurul tubului, așa cum se arată în figura de mai sus.

Câmpului magnetic a fost aplicat astfel încât să fie perpendicular atât pe câmpul electric, cât și pe razele catodice. Acest lucru este reprezentat în figura de mai jos.

Inițial, el a aplicat doar câmpul electric, care a deviat fasciculul într-o anumită direcție. Această deviere electrică a fost măsurată de el. Și apoi câmpul magnetic a fost variat până când fasciculul a revenit la traiectoria inițială, adică a rămas nedeflectat. În aceste condiții, forța magnetică și forța electrică se anulaseră reciproc. Ele erau egale ca mărime, dar opuse ca direcție.

El a calculat raportul dintre masă și sarcină (m⁄e) folosind expresia de mai jos.

Aici, E și H sunt intensitatea câmpului electric și intensitatea câmpului magnetic, l este lungimea plăcilor, iar θ este deviația atunci când este aplicat doar câmpul electric. Toți acești parametri erau cunoscuți.

Probă de m/e

Să fie:

1. D placa conectată la borna pozitivă a unei baterii și E conectată la borna negativă.
2. FE să fie forța exercitată de câmpul electric.
3. FH să fie forța exercitată de câmpul magnetic.
4. s să fie deplasarea verticală a fasciculului la capătul plăcilor.
5. l să fie lungimea unei plăci.
6. θ să fie deviația în câmpul electric.
7. v să fie viteza constantă a fasciculului atunci când intră în câmpul electric.
8. O să fie originea.
9. T să fie timpul petrecut de razele catodice în câmpul electric.

Această notație este reprezentată în figura de mai jos.

Când forța electrică și forța magnetică se anulează reciproc, razele nu sunt deflectate. Astfel, forța netă asupra razelor este zero.

Știm că FE = eE și FH = -evH. Semnul negativ arată că forțele sunt în sens opus.

Dezplasarea din formulele cinematice este

În direcția x, viteza inițială este v și accelerația este zero.

Substituind valoarea lui v în ecuația de mai sus,

Când t = T, x = l.

În direcția y, viteza inițială este zero, dar fasciculul accelerează pe măsură ce avansează în câmpul electric.

Accelerația este forța împărțită la masă.

Substituind valoarea lui a,

Când t = T, y = s.

Eliminând T,

Astfel, raportul dintre masă și sarcină este următorul:

Pentru valori mai mici ale lui θ, .

În cele din urmă,

Valoarea raportului raportată de Thomson în lucrarea sa este (1,29 ± 0,17) × 10-7.

Contravaloarea lui m⁄e dă raportul dintre sarcină și masă (e⁄m). Valoarea lui e⁄m recomandată de CODATA este 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.

Thomson a remarcat, de asemenea, că valoarea calculată de el pentru m⁄e este independentă de gazul din tubul de descărcare și de metalul utilizat de catod. Acest lucru a dat, de asemenea, o bănuială că particulele făceau parte integrantă din atomi.

De asemenea, el a observat că valoarea lui m⁄e era de aproximativ 1000 de ori mai mică decât cea a ionilor de hidrogen. Valoarea lui m⁄e a ionilor de hidrogen estimată la acea vreme era de aproximativ 10-4. Aceasta presupunea că masa particulelor era mult mai mică decât cea a ionilor de hidrogen sau că erau puternic încărcate. Lenard determinase că raza de acțiune, care este strâns asociată cu calea liberă medie pentru coliziuni, a razelor catodice; aceasta era de 0,5 cm. Pe de altă parte, calea liberă medie a moleculelor de aer era de 10-5 cm, care este foarte mică în comparație cu raza de acțiune a razelor catodice. Prin urmare, el a susținut că dimensiunea acestor particule trebuie să fie mult mai mică decât moleculele de aer.

Concluzie

Thomson a numit aceste particule corpusculi, mai târziu ele au fost redenumite electroni. El a concluzionat că corpusculii erau mai mici decât dimensiunea atomilor și erau parte integrantă a unui atom.

Bazându-se pe aceste rezultate experimentale, Thomson a propus, de asemenea, modelul budincii de prune. A fost distins cu Premiul Nobel pentru Fizică.

Ipotezele lui Thomson

Thomson a prezentat trei ipoteze în urma experimentelor sale.

1. Razele catodice sunt alcătuite din particule încărcate negativ numite corpusculi.
2. Astomul este alcătuit din acești corpusculi.
3. Acești corpusculi sunt singura parte integrantă a unui atom.

Cea de-a treia ipoteză a fost dovedită greșită mai târziu, când propriul său elev Rutherford a propus prezența nucleului încărcat pozitiv într-un atom.

Articole asociate

• Numărul atomic

.