Badania nad elektronem

PRZE£OM WIEKÓW XIX I XX - DALSZE BADANIA NAD ELEKTRONEM

    Nied³ugo po opublikowaniu pracy Thomsona model cz±steczkowy promieni katodowych zosta³ powszechnie przyjêty przez naukowców. Jednak jego model zgodnie, z którym cz±steczki promieni katodowych wchodz± w sk³ad wszystkich atomów i stanowi± jeden z jego sk³adników, nie wywo³a³ wiêkszego entuzjazmu (wielu naukowców nie zaakceptowa³o go).
    Przez kolejne lata Thomson stara³ siê coraz dok³adniej wyznaczaæ sta³± e/m elektronu. Wiele odkryæ dokonywanych w tym okresie dowodzi³o powszechnego wystêpowania tych cz±steczek w przyrodzie.
    W roku 1896 holenderski naukowiec Pieter Zeeman umie¶ci³ ¼ród³o ¶wiat³a pomiêdzy biegunami elektromagnesu i obserwowa³ jego widmo rozchodz±ce siê prostopadle do kierunku pola magnetycznego. W pierwszych do¶wiadczeniach nie uda³o mu siê niczego zauwa¿yæ, jednak po zwiêkszeniu natê¿enia pola magnetycznego Zeeman zaobserwowa³ niedu¿e poszerzenie linii widmowych. Naukowiec zwróci³ siê z pro¶b± do Antoona Lorentza o pomoc w wyt³umaczeniu odkrytego zjawiska.

    Przy za³o¿eniu, i¿ w atomie istniej± jakie¶ ma³e, na³adowane, poruszaj±ce siê po orbitach cz±stki emituj±ce ¶wiat³o, mo¿na siê spodziewaæ, ¿e w zewnêtrznym polu magnetycznym orbity te zostan± nieco zmienione (wyd³u¿one b±d¼ skrócone). Zmiana orbit jest uzale¿niona od stosunku q/m poruszaj±cyh siê cz±steczek. Znaj±c wiêc poszerzenie linii widmowych mo¿na by³o okre¶liæ ten stosunek. Zeeman i Lorentz obliczyli, i¿ q/m tych cz±steczek jest w przybli¿eniu równe wielko¶ci e/m elektronów Thomsona.
    Nied³ugo po swoim odkryciu Zeeman stosuj±c mocniejsze pole magnetyczne zaobserwowa³, i¿ rozszerzenie linii okazuje siê jej rozszczepieniem na trzy sk³adowe (odkrycia tego równolegle dokona³ Sir Oliver Lodge). Kolejnym odkryciem Zeemana by³o zaobserwowanie polaryzacji ¶wiat³a rozchodz±cego siê równolegle do pola. Analizuj±c wyniki do¶wiadczeñ naukowiec doszed³ do wniosku, i¿ ¶wiat³o to musi byæ emitowane przez ujemne cz±steczki poruszaj±ce siê wewn±trz atomów. By³o to jedyne wyt³umaczenie obserwowanych faktów do¶wiadczalnych. Wszystko wskazywa³o wiêc na to, i¿ w atomach po pewnych orbitach porusza³y siê elektrony.
    W 1887 roku Hertz odkry³ zjawisko emisji ujemnie na³adowanych cz±steczek z metalu pod wp³ywem ¶wiat³a ultrafioletowego. Liczba emitowanych cz±steczek by³a bardzo ma³a i przez d³ugi czas nie uda³o siê okre¶liæ stosunku ich ³adunku do masy. Dopiero w roku 1899 Thomson przeprowadzi³ takie do¶wiadczenie.
    W celu obliczenia stosunku q/m cz±steczek wybijanych z metalu pod wp³ywem ¶wiat³a ultrafioletowego naukowiec zbudowa³ specjalne urz±dzenie (rys 1). ¦wiat³o pada³o pod pewnym k±tem na metalow± p³ytê. Nad ni± w pewnej odleg³o¶ci znajdowa³a siê druga p³yta na³adowana dodatnio. ¦wiat³o padaj±ce na p³ytê wybija³o z niej cz±steczki, które nastêpnie by³y przy¶pieszane przez pole elektryczne w kierunku na³adowanej p³yty. Równoleg³e do p³yt pole magnetyczne zakrzywia³o tor ruchu cz±steczek. Przy odpowiednio du¿ym natê¿eniu tego pola wszystkie ujemnie na³adowane cz±steczki wraca³y po okrêgu do p³yty, z której zosta³y wybite. U¿ywaj±c czu³ego elektrometru do³±czonego do dodatnio na³adowanej p³yty, Thomsona móg³ wyznaczyæ to natê¿enie, a nastêpnie stosunek q/m tych cz±steczek. Wielko¶æ ta wynosi³a 0,76*10¹¹ kulombów na kilogram, a wiêc by³a bardzo bliska e/m cz±steczek promieni katodowych. Przemawia³o to za faktem, i¿ cz±stki te s± elektronami.

Urz±dzenie Thomsona s³u¿±ce do pomiaru q cz±steczek fotoelektrycznych

W roku 1883 Thomas Alva Edison (1847-1931) - wyj±tkowo uzdolniony naukowiec amerykañski, odkry³ i¿ roz¿arzone przep³ywem pr±du elektrycznego w³ókno emituje jakie¶ ujemnie na³adowane cz±stki. W roku 1899 Thomsona przeprowadzi³ do¶wiadczenie, którego przebieg podobny by³ do do¶wiadczenia z cz±stkami wybijanymi przez ¶wiat³o. Naukowiec obliczy³ w nim stosunek ³adunku do masy cz±steczek emitowanych przez roz¿arzony metal, który wynios³a 0,87*10¹¹ kulombów na kilogram. Prawdopodobnie wiêc równie¿ i te cz±stki s± elektronami.

Zjawisko termoelektryczne opisane przez Edisona

Pod koniec XIX wieku badano zjawisko promieniotwórczo¶ci. Wiedziano, i¿ substancje promieniotwórcze emituj± pewne ujemnie na³adowane cz±steczki nazwane "promieniami beta". W 1900 roku Becquerel otrzyma³, w podobny sposób jak Thomsona dla promieni katodowych, stosunek ich ³adunku do masy. Okaza³o siê, ¿e wynosi on oko³o 1*10¹¹ kulombów na kilogram.
Przez ostatnie cztery lata XIX wieku naukowcy odkryli, i¿ ujemne cz±steczki, które emitowane s± w ró¿nych procesach fizycznych, s± elektronami. Jak dowodzi³ Zeeman, elektrony wchodz± w sk³ad atomów, s± wiêc bardziej podstawowym sk³adnikiem materii ni¿ te atomy. Obliczona w przybli¿eniu warto¶æ e/m elektronu, która wynosi³a 1*10¹¹ kulombów na kilogram. Nie wiedziano jednak ile wynosz± same wielko¶ci e i m elektronu. Próby wyznaczenia ich zajmowa³y wielu naukowców w pierwszym dziesiêcioleciu XX wieku.