Do¶wiadczenie Thomsona

DO¦WIADCZENIE THOMSONA

    W roku 1894 John Thomson bada³ zjawisko promieni katodowych. Stara³ siê wyznaczyæ ich prêdko¶æ, która mog³a wiele powiedzieæ o ich strukturze. Do podjêcia tych badañ sk³oni³o go odkrycie odchylania przez pole magnetyczne promieni katodowych. Gdyby by³y one falami elektromagnetycznymi ich odchylenie mo¿na by³oby t³umaczyæ istnieniem ziarnistej, powi±zanej z polem magnetycznym struktury eteru, w którym fale te mia³y siê przemieszczaæ. Koncepcja ta nie podoba³a siê jednak Thomsonowi. Chcia³ on wykazaæ, ¿e pomimo zdolno¶ci do pobudzania szk³a do ¶wiecenia, promienie te nie s± jakim¶ rodzajem ¶wiat³a nadfioletowego, jak sugerowali niektórzy inni uczeni.
    Na rurze, w której bada³ pole magnetyczne promieni katodowych, zaznaczy³, rysuj±c rysy na sadzy pokrywaj±cej ca³± rurê, kilka punktów. Nastêpnie przy pomocy bardzo szybko wiruj±cego zwierciad³a obserwowa³ ¶wiat³o przechodz±ce przez te rysy. Tym sposobem mierzy³ czas, po jakim do ¶wiecenia by³y pobudzane dane punkty rury. Dziêki temu do¶wiadczeniu wyznaczy³ prêdko¶æ poruszania siê promieni katodowych. Prêdko¶æ ta wed³ug pierwszego z do¶wiadczeñ mia³a wynosiæ 200 000 metrów na sekundê, czyli 1500 razy mniej od prêdko¶ci ¶wiat³a (wynik ten z niewiadomych wzglêdów by³y znacznie zani¿ony). Do¶wiadczenie to pchnê³o naukowców do przeprowadzania kolejnych eksperymentów nad struktur± pole magnetyczne promieni katodowych.
    W 1895 roku Jean Perrin stara³ siê wyznaczyæ ³adunek przenoszony przez promienie katodowe. Naukowiec umie¶ci³ kolektor ³adunku elektrycznego wewn±trz rury. Promienie katodowe wychodz±ce z katody K wpada³y przez otwór H znajduj±cy siê na anodzie i czê¶ciowo pada³y na kolektor Perrin odkry³, ¿e kolektor na³adowa³ siê ujemnie. Aby potwierdziæ, i¿ to promienie katodowe ³aduj± go, naukowiec wykorzystuj±c pole magnetyczne odchyla³ wi±zkê promieni tak, ¿e nie dociera³a ona do kolektora. W tym wypadku ³adunek nie gromadzi³ siê na nim. Tak wiêc Perrin udowodni³, ¿e promienie katodowe przenosz± ³adunek ujemny.

Rok pó¼niej John Thomson bior±c pod uwagê dowód Perrina i zasiêg promieni katodowych w powietrzu (w warunkach normalnych oko³o 1 cm), zak³adaj±c ¿e maj± one strukturê cz±steczkow±, stwierdzi³ i¿ promieñ tych cz±steczek musi byæ bardzo ma³y (przekrój czynny ich powinien byæ 10⁵ razy mniejszy od cz±steczki powietrza). Postawi³ równie¿ tezê, ¿e skoro cechy promieni katodowych nie zale¿± od rodzaju gazu zawartego w rurze i sk³adaj± siê z cz±steczek znacznie mniejszych od atomów, to cz±stki te wchodz± w sk³ad wszystkich atomów.
W 1896 roku Thomson przeprowadzi³ do¶wiadczenie, w czasie którego ustali³ zale¿no¶æ ³adunku cz±stki do jej masy (q/m). Aby to zrobiæ skierowa³ wi±zkê promieni katodowych na kolektor. Wi±zka ta przekazywa³a kolektorowi swój ³adunek oraz ogrzewa³a go. Thomson zna³ masê kolektora, jego ciep³o w³a¶ciwe i przyrost temperatury. Na tej podstawie móg³ wyznaczyæ ilo¶æ energii cieplnej. Pomiaru temperatury kolektora dokona³ przy pomocy lekkiej termopary przymocowanej do niego. Naukowiec zmierzy³ (bardzo czu³ym elektrometrem) ca³kowity ³adunek zgromadzony na kolektorze.

Jedna z metod Thomsona wyznaczania stosunku q/m

Ca³kowity ³adunek - Q zgromadzony na kolektorze mo¿na wyliczyæ znaj±c ³adunek jednej cz±stki - q i ilo¶æ cz±steczek padaj±cych na przyrz±d - n:

(1)

Trzeba przy tym oczywi¶cie za³o¿yæ, ¿e ka¿da cz±steczka "przylepia siê" do kolektora - oddaje mu ³adunek i nie powoduje wtórnej emisji cz±steczek (Thomson uziemi³ os³aniaj±c± kolektor elektrodê).
Cz±steczka "przylepiaj±c siê" do kolektora przekazuje mu swoj± energiê kinetyczn± - E ogrzewaj±c go. Energia n cz±steczek padaj±cych na przyrz±d jest równa:

(2)

Po podzieleniu równania (1) przez (2):

(3)

Z drugiej strony wi±zkê promieni katodowych mo¿na odchyliæ przy pomocy pola magnetycznego - cz±steczki poruszaj± siê po torze, który jest czê¶ci± obwodu ko³a. Czyli pole magnetyczne musi dzia³aæ na na³adowane cz±steczki pewn± si³±. Je¿eli przyjmie siê, ¿e ka¿da cz±stka ma masê m, ³adunek q i prêdko¶æ v, i ¿e poruszaj± siê w polu magnetycznym o natê¿eniu B po torze o promieniu krzywizny R dostaje siê dwa równania:

(4)

(si³a dzia³aj±ca na cz±stkê z równania opisuj±cego magnetyczn± sk³adow± si³y Lorentza)

(5)

(si³a do¶rodkowa w ruchu po okrêgu)

a wiêc:

(6)

lub

(7)

    Maj±c równania (3) i (7) Thomson wyliczy³ prêdko¶æ promieni katodowych rzêdu 2.4*10⁷ metrów na sekundê (znacznie wiêksza od tej, do której doszed³ w 1895 roku), oraz stosunek ³adunku do masy pomiêdzy 1,0 a 1,4*10¹¹ kulombów na kilogram.
    Tak niedok³adny wynik wi±za³ siê z du¿± niedok³adno¶ci± pomiarów - o czê¶ci za³o¿eñ by³a mowa ju¿ wcze¶niej, innymi by³y za³o¿enia mówi±ce o tym, i¿ ca³a energia cz±stek musi byæ zamieniana na energiê ciepln± kolektora, ¿adna czê¶æ tej energii cieplnej nie mo¿e byæ przekazana do otoczenia. Poza tym pomiary bardzo ma³ych wielko¶ci przy pomocy sprzêtu, którym dysponowa³ Thomson musia³y byæ obdarzone sporym b³êdem.
    Thomson poda³ równie¿ inn± metodê wyznaczenia tych wielko¶ci. W tym celu zastosowa³ po³±czenie dwóch pól - magnetycznego i elektrycznego tak aby na cz±stkê dzia³a³y si³y - magnetyczna skierowana do góry i elektryczna skierowana przeciwnie - do do³u (rys. 2).
    Je¿eli natê¿enie pola elektrycznego wynosi E to si³a dzia³aj±ca do do³u na cz±steczkê o ³adunku q wynosi:

(8)

Natomiast je¿eli natê¿enie pola magnetycznego wynosi B to si³a skierowana do góry wynosi:

(9)

Przyrównuj±c prawe strony tych dwu wzorów (gdy wi±zka nie jest odchylana do góry, ani do do³u) jest:

(10)

wiêc:

(11)

Zgodnie z tym drugim sposobem Thomson uzyska³ q/m = 0,77*10¹¹ kulombów na kilogram. Wynik znacznie siê ró¿ni³ od tego otrzymanego pierwszym sposobem. B³±d ten zosta³ spowodowany du¿± niedok³adno¶ci± pomiarow±.

    Uczony przyj±³, ¿e w przybli¿eniu q/m = 1*10¹¹ kulombów na kilogram.
    Thomson nie wiedzia³ jakie warto¶ci konkretnie maj± q i m -zna³ tylko ich stosunek (q/m lub m/q). Zna³ równie¿ stosunek m/q wodoru, który by³ znacznie wiêkszy od tego pierwszego. Tak wiêc albo q elektronu by³o wiêksze od q wodoru albo m elektronu by³o mniejsze od m wodoru. Naukowiec bior±c pod uwagê wielko¶æ cz±steczki uwa¿a³, i¿ to masa elektronu jest bardzo ma³a.
    Wyniki swojego do¶wiadczenie uczony opublikowa³ w 1897 roku.
    Wykazanie istnienia elektronów i stwierdzenie ich niedu¿ych rozmiarów spowodowa³o, i¿ Thomson sformu³owa³ hipotezê, zgodnie z któr± stwierdzi³, i¿ atom jest podzielny i sk³ada siê z jaki¶ mniejszych cz±steczek. Stworzy³ wizjê atomu jako dodatnio na³adowanej kuli, w której umieszczone s± ³adunki ujemne (model "ciasta z rodzynkami"). Pogl±d ten utrzyma³ siê do 1911 roku, kiedy to Ernest Rutherford zbudowa³ swój "planetarny" model atomu.
    Równolegle do Thomsona stosunek q/m otrzyma³ Niemiec Walter Kaufmann. Bada³ on rury pró¿niowe wype³nione ró¿nymi gazami znajduj±cymi siê pod ró¿nymi ci¶nieniami. Wierz±c w to, i¿ promienie katodowe zbudowane s± z na³adowanych atomów gazu, naukowiec spodziewa³ siê, ¿e warto¶ci q/m ró¿nych gazów bêd± ró¿ne. Jednak do¶wiadczenie wskazywa³o, i¿ q/m nie zale¿y od gazu. Kaufmann nie domy¶la³ siê co ten fakt móg³ oznaczaæ. I mimo, ¿e warto¶æ q/m podana przez niego by³a dok³adniejsza ni¿ warto¶æ Thomsona, to w³a¶nie Thomson jako pierwszy stwierdzi³, i¿ promienie zbudowane s± z cz±stek nowego rodzaju - elektronów.