Sir Joseph John Thomson var en brittisk fysiker och Nobelpristagare. Han var välkänd för upptäckten av elektronen. År 1897 visade han att katodstrålar bestod av mycket små negativt laddade partiklar. Dessa partiklar fick senare namnet elektroner. Apparaten för hans experiment kallas katodstråleröret (CRT).
J. J. Thomson var inte den enda som arbetade med katodstrålar, utan flera andra aktörer som Julius Plücker, Johann Wilhelm Hittorf, William Crookes och Philipp Lenard hade bidragit till eller höll på att studera det. Thomsons bidrag är dock viktigare än de övriga. Hans experimentella resultat undersöktes vidare av Rutherford och Bohr, vilket ytterligare gav viktiga insikter i atomvärlden.
Katodstrålar och katodstrålerör
För att direkt hoppa på Thomsons upptäckter, låt oss förstå några grundläggande kunskaper om katodstrålar och katodstråleröret.
Vad är katodstrålar? Katodstrålar är strömmar av elektroner som avges från katoden (den elektrod som är ansluten till den negativa polen på ett batteri). Dessa strålar färdas i raka linjer och kan avledas av elektriska och magnetiska fält.
Katodstråleröret (CRT) är ett ihåligt glasrör. Luften i röret pumpas ut för att skapa ett vakuum.
Katodstråleröret består av följande delar:
- Elektronemitter (eller elektronkanon): Elektronkanonen består främst av en värmare och en katod. Den avger den skarpa elektronstrålen, katodstrålar. I moderna katodstråler framställs elektronstrålen genom termionemission – med hjälp av en värmefilament – som visas i diagrammet ovan. Emissionsmekanismen med kallkatod användes dock i Thomsons experiment.
- Fokuserings- och accelerationssystem: Det består av en serie anoder. Det smalnar av strålen och ökar dess kinetiska energi.
- Deflektionssystem: Det styr elektronstrålens riktning. Detta sker med hjälp av ett externt elektriskt och magnetiskt fält. Katodstrålarna böjs när de interagerar med dessa fält.
- Fosforescerande beläggning: Det är den sista delen av katodstrålen, där strålarna träffar för att skapa ett sken.
Thomsons experiment
På den tiden var fysikerna oklara om katodstrålar var immateriella som ljus eller om de var materiella. Det fanns många olika åsikter om dessa strålar. Enligt vissa beror strålarna på någon process i etern. Katodstrålarnas immateriella natur och aetherhypotesen bevisades felaktigt av J. J. Thomson. Han drog slutsatsen att strålarna bestod av partiklar. Hela hans arbete kan delas in i tre olika experiment. I det första studerades den magnetiska effekten på katodstrålar medan strålarna i det andra avböjdes av ett elektriskt fält. I det sista experimentet lyckades han mäta förhållandet mellan massa och laddning.
Experiment 1: Magnetisk avböjning
Experimentapparaten bestod av två metallcylindrar. Cylindrarna var koaxiellt placerade och isolerade från varandra. Den yttre cylindern var jordad medan den inre var ansluten till en elektrometer för att detektera eventuell elektrisk ström som visas i figuren nedan. Båda cylindrarna hade hål eller slitsar. När en hög potentialskillnad tillämpades mellan katoden (A i diagrammet) och anoden (B i diagrammet), avgick katodstrålar, som producerades i det vänstra röret, från katoden och gick in i huvudklockan. Strålarna kom inte in i cylindrarna om de inte avleddes av ett magnetfält.
Han spårade strålarnas väg med hjälp av fluorescensen på en fyrkantig skärm i burken. När strålarna böjdes av ett magnetfält infiltrerade de cylindrarna genom slitsarna. Och närvaron av negativ laddning upptäcktes i elektrometern. Om dessa strålar böjdes ytterligare, gick de över slitsarna och elektrometern visade inga avläsningar. ”Således visar detta experiment att hur vi än vrider och avleder katodstrålarna med hjälp av magnetiska krafter, så följer den negativa elektrifieringen samma väg som strålarna och att denna negativa elektrifiering är oupplösligt förknippad med katodstrålarna”, citerade Thomson.
För övrigt upprepade han experimentet med olika material och gaser och fann att avböjningen av strålarna var densamma oberoende av vilka material och gaser som användes.
Slutsatser
Han kom fram till de två huvudpunkterna efter detta experiment.
- Katodstrålar avböjdes av ett magnetfält på samma sätt som om de bestod av negativt laddade partiklar.
- Strålarna var oberoende av elektroderns material och gasen i burken.
Experiment 2: Elektrisk avböjning
Det första experimentet visade faktiskt att katodstrålar uppförde sig som negativt laddade partiklar under ett magnetfält. Detta påstående blev bristfälligt när katodstrålarna inte kunde avledas i ett elektriskt fält. Detta observerades av Hertz långt före Thomson. Detta ledde till ett dilemma om huruvida katodstrålar är negativt laddade partiklar eller inte. Thomson bestämde sig för att undersöka saken ytterligare genom ett annat experiment.
Thomson konstruerade ett modifierat Crookesrör enligt figuren ovan. När en hög potentialskillnad applicerades mellan katoden och anoden genererades katodstrålar vid katoden (C i diagrammet). När dessa strålar passerade genom anoden (A i diagrammet) och senare genom slitsen B, som var jordad, skärptes strålarna. Denna smala stråle spreds genom aluminiumplattor (D och E) och träffade slutligen den fosforescerande skärmen för att skapa en ljus fläck. Skärmen skalades så att strålens avböjning kunde mätas.
När Hertz hade applicerat ett elektriskt fält mellan plattorna märkte han ingen avböjning av strålen. Därför drog han slutsatsen att katodstrålar inte påverkas av ett elektriskt fält.
Efter Hertz, när Thomson utförde samma experiment, fann han också liknande resultat. Han upprepade samma experiment under mycket lägre tryck än det föregående. Den här gången avleddes strålen av ett elektriskt fält. När den övre plattan fästes vid batteriets pluspol och den undre plattan vid minuspolen böjdes strålen uppåt. Om plattornas polaritet byttes ut skulle strålen avledas nedåt.
Slutligt lyckades han bevisa att strålen inte är något annat än negativt laddade partiklar.
Slutsats
Han drog följande slutsats:
Då katodstrålarna bär en laddning av negativ elektricitet, avlänkas av en elektrostatisk kraft som om de vore negativt elektrifierade och påverkas av en magnetisk kraft på precis samma sätt som denna kraft skulle verka på en negativt elektrifierad kropp som rör sig längs strålarnas bana, kan jag inte se någon utväg för att inte dra slutsatsen att de är laddningar av negativ elektricitet som bärs upp av materiepartiklar.
Note: En fråga, som kanske hemsöker läsarna, är varför strålen böjdes när vakuumet i röret ökades. Den höga potentialskillnaden mellan elektroderna joniserade de kvarvarande gasmolekylerna till fria elektroner och joner, även kallad rymdladdning. Dessa fria elektroner och joner avskärmar elektriskt det yttre elektriska fältet i Hertz fall. Det resulterade således i ett dämpat elektriskt fält och strålen förblev opåverkad av det elektriska fältet. Men i Thomsons fall var rymdladdningens täthet mycket liten på grund av det högre vakuumet. Och de hindrade inte det elektriska fältet nämnvärt.
Experiment 3: Förhållandet mellan massa och laddning (e/m)
Efter att ha demonstrerat katodstrålarnas elektrostatiska egenskaper var Thomson fortfarande nyfiken på dessa partiklar. Han funderade på vad dessa partiklar var, var de atomer eller molekyler eller några okända enheter som ännu inte upptäckts. För att finna svar på sådana frågor utförde han det tredje experimentet. I detta experiment mätte han förhållandet mellan partikelns massa och laddning.
Den experimentella utrustningen för detta experiment var densamma som för det föregående. Dessutom applicerade han ett magnetfält genom att placera polerna på en elektromagnet runt röret enligt figuren ovan.
Magnetfältet applicerades så att det var vinkelrätt mot både det elektriska fältet och katodstrålarna. Detta visas i figuren nedan.
Inledningsvis tillämpade han endast det elektriska fältet, vilket avledde strålen i en viss riktning. Denna elektriska avböjning mättes av honom. Och sedan varierades magnetfältet tills strålen återvände till sin ursprungliga bana dvs. den förblev oavböjd. I detta läge hade den magnetiska kraften och den elektriska kraften upphävt varandra. De var lika stora men motsatta i riktning.
Han beräknade förhållandet mellan massa och laddning (m⁄e) med hjälp av nedanstående uttryck.
Här är E och H den elektriska fältstyrkan och den magnetiska fältstyrkan, l är plattornas längd och θ är avböjningen när endast det elektriska fältet tillämpas. Alla dessa parametrar var kända.
Bevis för m/e
Låt:
- D vara den platta som är ansluten till den positiva polen på ett batteri och E ansluten till den negativa polen.
- FE är den kraft som utövas av det elektriska fältet.
- FH är den kraft som utövas av det magnetiska fältet.
- s är balkens vertikala förskjutning vid plattornas ände.
- l är längden på en platta.
- θ vara avböjningen i det elektriska fältet.
- v vara strålens konstanta hastighet när den kommer in i det elektriska fältet.
- O vara ursprunget.
- T vara den tid som katodstrålarna tillbringar i det elektriska fältet.
Denna notation representeras i nedanstående figur.
När den elektriska kraften och den magnetiska kraften upphäver varandra är strålarna oavledda. Nettokraften på strålarna är alltså noll.
Vi vet att FE = eE och FH = -evH. Det negativa tecknet visar att krafterna är i motsatt riktning.
Förskjutningen från de kinematiska formlerna är
I x-riktningen är den initiala hastigheten v och accelerationen är noll.
Substituerar man värdet av v i ovanstående ekvation,
När t = T är x = l.
I y-riktningen är utgångshastigheten noll, men strålen accelererar när den avancerar i det elektriska fältet.
Acceleration är kraft dividerad med massa.
Substituerar man värdet på a,
När t = T är y = s.
Eliminerar man T,
blir alltså förhållandet mellan massa och laddning som följer: 
För mindre värden på θ, 
.
Slutligt,
Värdet på förhållandet som Thomson rapporterade i sin uppsats är (1,29 ± 0,17) × 10-7.
Den reciproka av m⁄e ger förhållandet laddning till massa (e⁄m). Det värde för e⁄m som rekommenderas av CODATA är 1,758 820 010 76(53) × 1011 C kg-1.
Thomson noterade också att hans beräknade värde för m⁄e var oberoende av gasen i urladdningsröret och den metall som användes i katoden. Detta gav också en fingervisning om att partiklar var en integrerad del av atomer.
Han noterade också att värdet för m⁄e var cirka 1000 gånger mindre än värdet för vätejoner. Det värde på m⁄e för vätejoner som uppskattades vid den tidpunkten var omkring 10-4. Det innebar att partiklarnas massa var mycket mindre än vätejonernas eller att de var starkt laddade. Lenard hade fastställt att räckvidden, som är nära förknippad med den genomsnittliga fria vägen för kollisioner, för katodstrålar; den var 0,5 cm. Å andra sidan var den genomsnittliga fria vägen för luftmolekyler 10-5 cm, vilket är mycket litet i jämförelse med katodstrålarnas räckvidd. Därför hävdade han att storleken på dessa partiklar måste vara mycket mindre än luftmolekylerna.
Slutsats
Thomson benämnde dessa partiklar som corpuscles, senare döptes de om till elektroner. Han drog slutsatsen att korpusklarna var mindre än atomernas storlek och var en integrerad del av en atom.
Baserat på dessa experimentella resultat föreslog Thomson också sin plommonpuddingmodell. Han fick Nobelpriset i fysik.
Thomsons hypoteser
Thomson presenterade tre hypoteser utifrån sina experiment.
- Katodstrålar består av negativt laddade partiklar som kallas korpuskel.
- Atomen består av dessa korpuskelpartiklar.
- Dessa corpuscles är den enda integrerade delen av en atom.
Den tredje hypotesen bevisades senare som felaktig när hans egen elev Rutherford föreslog förekomsten av den positivt laddade kärnan i en atom.
Associerade artiklar
- Atomnummer
.