Η πορεία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου

Η πορεία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου που ήταν μια μακροχρόνια μελέτη των φυσικών του 19ου αιώνα τελείωσε με τον υπολογισμό της τιμής του ηλεκτρικού φορτίου από τον αμερικανό φυσικό Robert Millikan (1868-1953), το 1911.  Είχε, φυσικά, προηγηθεί η ανακάλυψη του λόγου e/m από τους Pieter Zeeman και J.J. Thomson (το 1897) σαν φυσιολογική συνέπεια της έρευνας των ηλεκτρικών εκκενώσεων σε σωλήνες κενού.

Image153

Από την εποχή του Michael Faraday (1833) οι φυσικοί ήξεραν και μελετούσαν τις ηλεκτρικές εκκενώσεις σε αέρια. Ο Faraday, που πειραματιζόταν με διάφορα αέρια σε χαμηλές πιέσεις, αναφέρει ότι δεν κατόρθωσε να διαχωρίσει την ακτινοβολία σε "στοιχειωδώς διακοπτόμενες ορατές εκκενώσεις". Παρατήρησε όμως κάποιες σκοτεινές περιοχές κοντά στην άνοδο.

Αργότερα, το 1858, ένας καθηγητής της Φυσικής στη Βόννη ο Julius Plücker, πλησίασε ένα μαγνήτη κοντά σε σωλήνα κενού για να παρατηρήσει τι θα συνέβαινε στην ηλεκτρική εκκένωση. Διαπίστωσε τότε για πρώτη φορά ότι η ηλεκτρική εκκένωση μετατοπιζόταν. Επίσης, την επόμενη χρονιά παρατήρησε ότι το τμήμα απέναντι από την κάθοδο φθόριζε με ένα έντονο πράσινο χρώμα.

Ο Johan Hittorf ένας μαθητής του Plücker, το 1869, κατόρθωσε να δει τη σκιά ενός αντικειμένου που είχε τοποθετήσει μπροστά από την κάθοδο. Κατάλαβε λοιπόν τότε ότι η εκκένωση προερχόταν από την κάθοδο. Η ονομασία, όμως, καθοδικές ακτίνες δόθηκε το 1876 από τον E. Goldstein

crookesΟ William Crookes (1832-1919), είχε την τύχη από νεαρή ηλικία να διεξάγει τις έρευνές του σε ένα δικό του εργαστήριο, που την εποχή εκείνη ήταν δυσεύρετα. Οι μελέτες του πάνω στις ηλεκτρικές εκκενώσεις των αερίων, που ακολούθησε την ανάπτυξη του καθοδικού σωλήνα από τους Pluecker και Hittorf, όπως και οι παρατηρήσεις του στις καθοδικές ακτίνες καθώς και τη σκοτεινή περιοχή στην κάθοδο, οδήγησαν τους επιστήμονες στην ανακάλυψη των ακτίνων X και του ηλεκτρονίου.

To 1879 o William Crookes ανακάλυψε μία αντλία για να κάνει καλύτερο κενό σε σωλήνες και με αυτούς έκανε μια συστηματική εργασία πάνω στις καθοδικές ακτίνες. Η πίεση μέσα στους σωλήνες του ήταν της τάξης των 40×10-3 χιλιοστά στήλης υδραργύρου, μια πολύ καλή τιμή για την εποχή του.

braunΟ Κarl Ferdinand Braun (1850-1918) ήταν διευθυντής του Ιδρύματος Φυσικής και καθηγητής της φυσικής στο πανεπιστήμιο του Στρασβούργου όταν επέδειξε τον πρώτο παλμογράφο καθοδικού σωλήνα, στον οποίο μια λεπτή δέσμη ηλεκτρονίων κτυπάει πάνω σε μια φθορίζουσα οθόνη, όπως και η σύγχρονη τηλεοπτική οθόνη. Αν και ήταν τότε λίγο πρωτόγονη, ο σωλήνας Braun είχε αρκετές και σημαντικές συνεισφορές στην επιστήμη.

Η φύση των καθοδικών ακτίνων

Μπορεί σήμερα να γνωρίζουμε ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι ηλεκτρόνια που κινούνται πολύ γρήγορα, αλλά την εποχή εκείνη ήταν τελείως άγνωστο. Γνώριζαν μόνο ότι έβγαιναν από την κάθοδο μιας λυχνίας κενού, κινούνται ευθύγραμμα, δημιουργούν σκιές και εκτρέπονται από το μαγνητικό πεδίο.

Πολλοί γερμανοί φυσικοί, όπως ήταν ο Gustav Herz το 1892, ισχυρίστηκαν ότι οι καθοδικές ακτίνες δεν θα μπορούσαν να είναι σωματίδια, έτσι θα έπρεπε να ήταν κύματα.

Στην Αγγλία, όμως, ο Crookes επέμενε ότι οι ακτίνες ήταν φορτισμένα σωμάτια. Μαζί του συντάχθηκαν πολλοί Άγγλοι φυσικοί σαν τον Kelvin, τον Joseph John Thomson κλπ. Όπως βλέπουμε υπήρχαν δύο σχολές: η γερμανική που υποστήριζε την κυματική φύση και η αγγλική που υποστήριζε την σωματιδιακή φύση των καθοδικών ακτίνων.

perrinΤελικά, το 1895 στο Παρίσι, ο Γάλλος φυσικός Jean Baptiste Perrin απέδειξε ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Σε ένα σωλήνα υψηλού κενού οδήγησε τις καθοδικές ακτίνες σε έναν κλωβό Faraday και εκεί βρήκε ότι μετέφεραν ηλεκτρικό φορτίο. Μπορούσαν, δε, να εκτραπούν από το μαγνητικό πεδίο.

Με αυτό το πείραμα ο Perrin άνοιξε το δρόμο για την εύρεση του ηλεκτρονίου, που σαν όρος προτάθηκε το 1894 από τον J. Stoney. Πήρε το Νόμπελ Φυσικής το 1926 για το έργο του πάνω στην ασυνέχεια της δομής της ύλης, την κίνηση Brown, τον αριθμό του Avogadro και το μέγεθος των διαφόρων ατόμων. Επίσης, έγινε γνωστός για την ανακάλυψη της ισορροπίας στην κατανομή των σωματιδίων στο σχηματισμό ιζήματος.

O Peter Zeeman

zeemanΤο 1894 ο νεαρός τότε ολλανδός φυσικός Peter Zeeman συνέχισε τις προσπάθειες του Faraday, ο οποίος είχε ανακαλύψει ότι το μαγνητικό πεδίο στρέφει το επίπεδο πόλωσης του φωτός. Δύο χρόνια αργότερα (1896) βρήκε ότι οι γραμμές στο φάσμα εκπομπής του νατρίου διαχωρίζονταν, όταν η πηγή του φωτός βρισκόταν μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, κάτι που ο Faraday δεν μπόρεσε να βρει. Συγχρόνως, παρατήρησε ότι οι φασματικές γραμμές  ήταν πολωμένες.

Η εξήγηση του φαινομένου Zeeman – όπως ονομάστηκε – από τον Hendrik Lorentz, στον οποίο ήταν βοηθός ο Zeeman,  ήταν ανατρεπτική για τις μέχρι τότε θεωρίες.

Η βασική ιδέα ήταν ότι το φως εκπεμπόταν από κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (τα ηλεκτρόνια) μέσα στο άτομο κι όχι από το άτομο. Γι’ αυτό και η κίνηση τους επηρεαζόταν από το μαγνητικό πεδίο, σύμφωνα με τους νόμους του κλασσικού ηλεκτρομαγνητισμού. 

lorenzΑπό τη μεταβολή της συχνότητας του εκπεμπόμενου φωτός οι Zeeman και Lorentz υπολόγισαν το λόγο e/m, το ειδικό φορτίο των σωματιδίων που προκαλούσαν την εκπομπή του φωτός, όπως και το είδος του φορτίου (αρνητικό). Φυσικά, τα σωματίδια αυτά βρίσκονταν δέσμια μέσα στα άτομα.

Με τις μετρήσεις τους, βρήκαν το ειδικό φορτίο, q/m, χίλιες περίπου φορές μεγαλύτερο από ότι ανέμεναν για ένα ολόκληρο άτομο.

Κατά συνέπεια, όταν το επόμενο έτος (1897) καθιερώθηκε η ανακάλυψη της ύπαρξης των ελεύθερων ηλεκτρονίων υπό μορφή καθοδικών ακτίνων από τον J. J. Thomson, πρόσεξαν ότι ο λόγος q/m ήταν ο ίδιος με το λόγο q/m που είχε ανακαλύψει ο Thomson από τα πειράματα εκτροπής των ηλεκτρονίων αλλά και το είδος του φορτίου ήταν επίσης το ίδιο. Έτσι αποδείχθηκε ότι τα ηλεκτρικά φορτία που προκαλούσαν την εκπομπή του φωτός  ήταν ίδια με τα ηλεκτρόνια που είχε ανακαλύψει ο Thomson.

img007

Για την ανακάλυψη της επίδρασης του μαγνητισμού στην ακτινοβολία ο Zeeman μαζί με το H. Lorentz κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής το 1902.

Τα  ελεύθερα ηλεκτρόνια του J.J. Thomson

thomson.gif (8800 bytes)Τον Αύγουστο του 1897 ο J.J.Thomson, καθηγητής στην έδρα Cavendish στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ,  έγραψε την περίφημη εργασία του "για τον έλεγχο της θεωρίας των ηλεκτρισμένων σωματίων", στην οποία περιέγραφε τα διάσημα πειράματά του για τον προσδιορισμό του λόγου φορτίου προς μάζα (q/m) των σωματίων που συνιστούσαν τις καθοδικές ακτίνες.

Αλλά στην ίδια εργασία ο Thomson, έδειξε και κάτι άλλο. Ότι τα σωμάτια αυτά ήσαν ίδια, ανεξάρτητα από το υλικό της καθόδου ή της ανόδου. Άρα ήταν ένα συστατικό όλων των ατόμων, ένα καθολικό χαρακτηριστικό σωμάτιο της ύλης.

Η τιμή του λόγου q/m του ηλεκτρονίου, που υπολόγισε ο Thomson, ήταν πολύ κοντά στην τιμή που ξέρουμε σήμερα. Λίγα χρόνια αργότερα, το 1899, ο ίδιος μπόρεσε και μέτρησε ξεχωριστά το φορτίο και τη μάζα του ηλεκτρονίου, ολοκληρώνοντας την μεγάλη του ανακάλυψη. Αυτό έγινε με τη βοήθεια του θαλάμου νέφωσης του Wilson.

Ο Thomson όμως για την εύρεση του φορτίου του ηλεκτρονίου, χρησιμοποίησε τη μέθοδο κατά την οποία τα φορτία ενεργώντας σαν πυρήνες συμπύκνωσης υπέρκορων ατμών, σχηματίζουν σταγονίδια μέσα σε θαλάμους με υπέρκορους υδρατμούς. Γι αυτό και η μέθοδος αυτή ονομάστηκε μέθοδος της σταγόνας.

Κάθε ηλεκτρικό φορτίο, συμπυκνώνει γύρω του ένα τέτοιο σταγονίδιο. Αν λοιπόν μετρήσουμε την ταχύτητα πτώσης των σταγόνων μπορούμε με κατάλληλους υπολογισμούς να υπολογίσουμε τον όγκο τους. Μετρώντας στη συνέχεια, την συνολική μάζα του νερού που συμπυκνώνεται μπορούμε να μάθουμε και το πλήθος των σταγονιδίων, που περιέχει το νέφος.

Μετρώντας επίσης απευθείας το ολικό φορτίο του νέφους, μπορεί να προσδιοριστεί το φορτίο ενός μέσου σταγονιδίου, που όπως είπαμε είναι ίσο με το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, το φορτίο του ηλεκτρονίου.

Η μάζα όμως του ηλεκτρονίου έκρυβε μια έκπληξη. Αφού μέτρησε λοιπόν το λόγο του φορτίου προς τη μάζα του σωματιδίου, ήταν σε θέση να υπολογίσει ότι η μάζα του ήταν ίση, περίπου, με το 1/1800 της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου.

Ήταν πάρα πολύ μικρή σε σχέση με τη μάζα των ατόμων. Σύντομα συνειδητοποιήθηκε ότι αυτά τα ελαφριά σωματίδια πρέπει να είναι δομικές μονάδες της ύλης, όπου μαζί με τους θετικά φορτισμένους πυρήνες, αποτελούν τα διαφορετικά είδη ατόμων.

Την διαπίστωση αυτή, ο Thomson την έκανε όταν βρήκε ότι σωμάτια με τον ίδιο λόγο q/m  τα συναντάμε και σε άλλα φαινόμενα, όπως στο φωτοηλεκτρικό και στην ηλέκτριση που παρατηρούμε σε θερμά μέταλλα.

Αργότερα ο Thomson καταπιάστηκε με τη σχέση αριθμού ηλεκτρονίων και ατομικού αριθμού, την μαγνητική εκτροπή των καθοδικών ακτίνων καθώς και την ασυνεχή εκπομπή ακτινοβολίας.

Ο Thomson για τις θεωρητικές και πειραματικές έρευνές του σχετικά με τη διέλευση ηλεκτρισμού μέσα από τα αέρια, έλαβε το Nobel φυσικής το 1906.

Η μέτρηση του λόγου q/m

millikanΟ αμερικανός φυσικός Robert Millikan είχε ένα στόχο. Να αποδειχθεί ότι o ηλεκτρισμός έχει πραγματικά ατομική δομή, κάτι που οι επιστήμονες το ήξεραν μόνο θεωρητικά. Για να το αποδείξει ήταν απαραίτητο να εξακριβώσει, όχι μόνο ότι ο ηλεκτρισμός, εμφανιζόταν σε όλα τα πειράματα σαν ακέραιο πολλαπλάσιο της μονάδας του φορτίου, αλλά και ότι η μονάδα αυτή δεν είναι μια μέση τιμή, όπως, παραδείγματος χάριν, αποδείχθηκε στα ατομικά βάρη. Με άλλα λόγια ήταν απαραίτητο να μετρηθεί το φορτίο ενός απλού ιόντος με έναν τέτοιο βαθμό ακρίβειας, που θα επέτρεπε στο Millikan να εξακριβώσει ότι αυτό το φορτίο ήταν πάντα το ίδιο. Το ίδιο έπρεπε να αποδειχθεί και στην περίπτωση των ελεύθερων ηλεκτρονίων.

Με τη βοήθεια μιας εξαίρετης ερευνητικής μεθόδου αλλά και μιας άριστης πειραματικής τεχνικής ο Millikan έφθασε στο στόχο του.

Το 1906 άρχισε να επινοεί μια σειρά βελτιώσεων στο πείραμα του Thomson, που τον οδήγησε να ανακαλύψει τη συσκευή με την πτώση σταγόνων λαδιού. Με αυτή τη συσκευή μετρήθηκε το 1911 με ακρίβεια το φορτίο του ηλεκτρονίου.

Το πείραμα του Millikan

Η πειραματική του συσκευή είχε δύο οριζόντιους μεταλλικούς δίσκους, κοντά ο ένας στον άλλο, ενώ με τη βοήθεια ενός διακόπτη θα μπορούσε να τους συνδέσει με τους πόλους μιας πηγής υψηλής τάσης. Το αέριο μεταξύ των δίσκων ιονίστηκε από μια πηγή ακτίνων-Χ.

Στη μέση του πάνω δίσκου υπήρχε μια λεπτή οπή – σαν τη κεφαλή μιας καρφίτσας – που μέσα από αυτήν με ψεκασμό περνούσαν σταγονίδια ελαίου ακτίνας 1 μm. Χωρίς ηλεκτρικό πεδίο, τα σταγονίδια κάνουν μια βραδεία πτώση γιατί πάνω τους επιδρά το βάρος τους και η αντίσταση του αερίου.

Αν εφαρμοστεί όμως το ηλεκτρικό πεδίο τότε οι σταγόνες, που φορτίζονται λόγω της τριβής, η ταχύτητα πτώσης τους μεταβάλλεται. Ρυθμίζοντας κατάλληλα το ηλεκτρικό πεδίο κατάφερε η σταγόνα να ανεβαίνει ή να κατεβαίνει αρκετές φορές. Η ταχύτητα των σταγονιδίων σε αυτές τις μετακινήσεις μετρήθηκε με μεγάλη ακρίβεια

Ο χώρος ανάμεσα στους δίσκους ήταν φωτισμένος κατά τέτοιο τρόπο ώστε ο Millikan να μπορεί να τον δει με ένα ειδικό τηλεσκόπιο.

Κι ενώ η ταχύτητα στην πτώση (χωρίς ηλεκτρικό πεδίο) ήταν σταθερή, στην κίνηση προς τα πάνω (με ηλεκτρικό πεδίο) η ταχύτητα των σταγονιδίων ποίκιλε, κάτι που σημαίνει ότι η σταγόνα είχε συλλάβει ένα ή περισσότερα από τα ιόντα που υπήρχαν στον ιονισμένο αέρα μεταξύ των δίσκων.

Κι ενώ η μεταβολή της ταχύτητας είναι ανάλογη προς το φορτίο, τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η μεταβολή της ταχύτητας είχε πάντα την ίδια τιμή ή ήταν ακριβές πολλαπλάσιο αυτής της τιμής. Με άλλα λόγια: η φορτισμένη σταγόνα είχε μία ή περισσότερες μονάδες ηλεκτρικού φορτίου, που όμως ήταν ακριβώς ίσες.  Μετρώντας, πολλές φορές το φορτίο καθορίστηκε με μια ακρίβεια ένα προς χίλια.
Για να δώσει Millikan μια χωρίς αμφιβολίες απόδειξη ήταν υποχρεωμένος να κάνει παρόμοια πειράματα με τις καθοδικές ακτίνες, με ακτίνες α και β και, επιπλέον, να ερευνήσει το νόμο της πτώσης των μικρών σωμάτων μέσω αερίων και το νόμο Brown της κίνησης τους .
Σε όλα τα πειράματά του ο Millikan απέδειξε ότι το ηλεκτρικό φορτίο αποτελείται από ίσες μονάδες, ίσες με 1,6*10-19 C.

Η ακρίβεια δε με την οποία υπολόγισε το φορτίο του ηλεκτρονίου, βοήθησε τους φυσικούς να υπολογίσουν με ακρίβεια έναν μεγάλο αριθμό σημαντικών φυσικών σταθερών.

Όταν τα αποτελέσματά του δημοσιεύθηκαν το 1911 κατέρρευσε και η τελευταία αντίσταση για την ατομική θεωρία της ύλης και για την εργασία του πάνω στο στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρισμού αλλά και για το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο κέρδισε το Νόμπελ φυσικής του 1923.

Δείτε και το σχετικό άρθρο

Τι ακριβώς είναι το spin των υποατομικών σωματιδίων, όπως τα ηλεκτρόνια και τα πρωτόνια