Πέμπτη, 30 Απριλίου 2020

Σαν σήμερα ... 1897, ο J. J. Thomson ανακοίνωσε την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου.



Σαν σήμερα, στις 30 Απριλίου 1897, ο Βρετανός φυσικός Joseph John Thomson (Τζόζεφ Τζον Τόμσον) ανακοίνωσε την ύπαρξη ενός νέου σωματίου, για το οποίο αργότερα καθιερώθηκε το όνομα "ηλεκτρόνιο". Η ανακοίνωση έγινε κατά τη διάρκεια μιας από τις καθιερωμένες απογευματινές ομιλίες της Παρασκευής στο Royal Institution (Βασιλικό Ίδρυμα) στο Λονδίνο.
Ο Thomson είπε στο ακροατήριό του ότι, νωρίτερα τον ίδιο χρόνο, είχε κάνει μια εκπληκτική ανακάλυψη. Βρήκε ένα σωματίδιο της ύλης χίλιες φορές μικρότερο από το άτομο. Εκείνος το αποκάλεσε "corpuscle", που σημαίνει "μικρό σώμα, σωμάτιο".

Αν και ο Thomson ήταν καθηγητής Πειραματικής Φυσικής και διευθυντής του Εργαστηρίου Cavendish στο Πανεπιστήμιο του Cambridge (1884-1919) και ένας από τους πιο σεβαστούς επιστήμονες στη Μεγάλη Βρετανία, οι επιστήμονες που παρευρίσκονταν στην εκδήλωση δυσκολεύτηκαν να πιστέψουν αυτό που άκουσαν εκείνο το απόγευμα. Μέχρι τότε ο επιστημονικός κόσμος πίστευε ότι το  άτομο ήταν το μικρότερο και αδιαίρετο μέρος της ύλης που θα μπορούσε να υπάρχει.
Παρ' όλα αυτά όμως, το ηλεκτρόνιο ήταν το πρώτο στοιχειώδες σωματίδιο που ανακαλύφθηκε.

Καθοδικός σωλήνας (klouras.chem.upatras)

Για μεγάλο μέρος της καριέρας του, ο Thomson εργάστηκε μελετώντας εργαστηριακά την ηλεκτρική αγωγιμότητα των αερίων σε αερόκενους σωλήνες. 

Το 1897 ανέφερε ότι οι "καθοδικές ακτίνες" ήταν στην πραγματικότητα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια σε κίνηση. Υποστήριξε ότι τα φορτισμένα σωματίδια ζύγιζαν πολύ λιγότερο από το ελαφρύτερο άτομο και ήταν στην πραγματικότητα συστατικά των ατόμων.
Ας πάμε όμως λίγο πίσω στον χρόνο.
Το 1895, ο Γάλλος φυσικός Jean Perrin (Ζαν Περέν) είχε διαπιστώσει ότι οι καθοδικές ακτίνες έφεραν αρνητικό φορτίο. Τον Ιανουάριο του 1897, ο Γερμανός φυσικός Emil Wiechert (Έμιλ Βίσερτ) κατέγραψε μια περίεργη μέτρηση που έδειχνε ότι ο λόγος της μάζας των καθοδικών ακτίνων προς το φορτίο τους ήταν πάνω από χίλιες φορές μικρότερος από τον λόγο της μάζας τους προς το μικρότερο φορτισμένο άτομο.
Την ίδια περίοδο, ο Γερμανός φυσικός Philipp Lenard (Φίλιπ Λέναρντ) πειραματιζόταν βομβαρδίζοντας ένα μεταλλικό φύλλο με καθοδικές ακτίνες  που είχαν περάσει μέσα από διαφορετικά αέρια. Είχε καταλήξει στο συμπέρασμα, ότι αν οι καθοδικές ακτίνες ήταν σωματίδια, θά 'πρεπε να είναι πολύ μικρά. 

Σωλήνες Geissler (αερόκενοι σωλήνες) από κατάλογο της 
εταιρείας "Chicago Laboratory Supply and Scale Company" (1898).
(φωτογραφία από American Institute of Physics)

Ο J.J. Thomson μελέτησε με επιμέλεια τις εργασίες των συναδέλφων του, επανέλαβε τα πειράματά τους, σχεδίασε κάποια καινούρια πειράματα με προσοχή, συγκέντρωσε τα δεδομένα και στη συνέχεια έκανε ένα πολύ τολμηρό άλμα. Διατύπωσε την υπόθεση ότι οι καθοδικές ακτίνες δεν είναι απλά υλικά σωματίδια, αλλά στην πραγματικότητα αποτελούν τα δομικά στοιχεία του ατόμου: είναι η πολυπόθητη βασική μονάδα όλης της ύλης στο σύμπαν.

Ο Thomson κατέληξε σ' αυτό το συμπέρασμα μέσα από τρία πειράματα που έκανε.
Το πρώτο ήταν παραλλαγή ενός πειράματος του 1895 από τον Jean Perrin. Ο Perrin είχε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι οι καθοδικές ακτίνες μετέφεραν ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου. 
Ο Thomson ήθελε να δει αν, κάμπτοντας τις ακτίνες με μαγνήτη, μπορούσε να χωρίσει το φορτίο από τις ακτίνες. Διαπίστωσε ότι όταν οι ακτίνες περνούσαν μέσα από μια ειδική σχισμή που είχε φτιάξει στο εσωτερικό του σωλήνα, το ηλεκτρόμετρο, που είχε τοποθετήσει κατάλληλα, μετρούσε μια μεγάλη ποσότητα αρνητικού φορτίου. Αντίθετα, το ηλεκτρόμετρο δεν κατέγραφε πολύ ηλεκτρικό φορτίο, εάν οι ακτίνες ήταν λυγισμένες και γι' αυτό δεν περνούσαν από την σχισμή. Το πιο σημαντικό για τον Thomson ήταν ότι: δεν μπορούσε να διαχωριστεί το ηλεκτρικό φορτίο από τις ακτίνες.   

Η συσκευή καθοδικών ακτίνων που χρησιμοποίησε 
ο Τόμσον στο 1ο του πείραμα.
(J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London, Edinburgh, and
Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science,
Fifth Series, October 1897, p. 295)

Μέχρι τότε, όλες οι προσπάθειες των φυσικών είχαν αποτύχει όταν προσπαθούσαν να "λυγίσουν" (εκτρέψουν) τις καθοδικές ακτίνες από ένα ηλεκτρικό πεδίο. Στο δεύτερο πείραμά του ο Thomson είχε την ιδέα να αφαιρέσει προσεκτικά όλο τον αέρα από τον καθοδικό σωλήνα. Ήταν κάτι πολύ δύσκολο, αλλά το αποτέλεσμα τον δικαίωσε: διαπίστωσε ότι οι καθοδικές ακτίνες εκτρέπονταν από την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου.

Από τα δύο πειράματα ο Thomson συμπέρανε: "Δεν διαπιστώνω κάποια αλλαγή στο μέχρι τώρα συμπέρασμα ότι (οι καθοδικές ακτίνες) είναι φορτία αρνητικού ηλεκτρισμού, που μεταφέρονται από σωματίδια ύλης". Και συνέχισε, "Τι είναι αυτά τα σωματίδια; Είναι άτομα, ή μόρια, ή ύλη σε ακόμα λεπτότερη κατάσταση υποδιαίρεσης;"

Το τρίτο πείραμα του Thomson προσπάθησε να καθορίσει τις βασικές ιδιότητες των σωματιδίων. Αν και δεν μπορούσε να μετρήσει άμεσα τη μάζα ή το ηλεκτρικό φορτίο ενός τέτοιου σωματιδίου, θα μπορούσε να μετρήσει πόσο οι ακτίνες εκτρέπονταν από ένα μαγνητικό πεδίο και πόση ενέργεια μετέφεραν. Από αυτά τα δεδομένα θα μπορούσε να υπολογίσει το λόγο της μάζας ενός σωματιδίου προς το ηλεκτρικό του φορτίο (m/e). 
Πειραματιζόμενος μ' αυτό το στόχο, συνέλεξε δεδομένα χρησιμοποιώντας μια μεγάλη ποικιλία αερόκενων σωλήνων και χρησιμοποιώντας διαφορετικά αέρια.

Η συσκευή καθοδικών ακτίνων που χρησιμοποίησε 
ο Τόμσον στο 2ο του πείραμα.
(J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical
 Magazine and Journal of Science, Fifth Series, October 1897, p. 296)

Τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά. Ακριβώς όπως Εmil Wiechert είχε αναφέρει νωρίτερα εκείνο το έτος, ο λόγος της μάζας προς το φορτίο (για τις καθοδικές ακτίνες) ήταν πολύ μικρότερος από τον αντίστοιχο λόγο ενός φορτισμένου ατόμου υδρογόνου, περισσότερο από χίλιες φορές μικρότερος. Έτσι, παρουσιαζόταν το δίλημμα: Ή οι καθοδικές ακτίνες μετέφεραν ένα τεράστιο ηλεκτρικό φορτίο (σε σύγκριση μ' ένα φορτισμένο άτομο), ή αλλιώς ήταν πολύ ελαφριές, είχαν πολύ μικρή μάζα σε σχέση με το φορτίο τους.  

Η απάντηση στο δίλημμα δόθηκε από τον Philipp Lenard. Πειραματιζόμενος με το πώς οι καθοδικές ακτίνες διαπερνούν τα αέρια, έδειξε ότι εάν οι καθοδικές ακτίνες ήταν μόρια, έπρεπε να έχουν μάζα πάρα πολύ μικρότερη από τη μάζα οποιουδήποτε ατόμου. Η απόδειξη δεν φαινόταν να είναι πειστική. Αλλά τα διαφορετικά πειράματα που ακολούθησαν από άλλους στα δύο επόμενα χρόνια, κατάφεραν να καταγράψουν μια τιμή για την ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου (e) και επιβεβαίωσαν το παραπάνω αξιοσημείωτο συμπέρασμα.
Μετά από αυτά, ο Thomson ανακοίνωσε την εικασία ότι "στις καθοδικές ακτίνες έχουμε ύλη σε μια νέα κατάσταση, μια κατάσταση κατά την οποία η υποδιαίρεση της ύλης πάει πολύ πέρα από την συνηθισμένη κατάσταση των αερίων: μια κατάσταση στην οποία όλη η ύλη... (είναι φτιαγμένη) από το ίδιο είδος˙ αυτή η ύλη αποτελεί την ουσία από την οποία  είναι δομημένα όλα τα χημικά στοιχεία."

Ο J. J. Thomson στο γραφείο του στο Εργαστήριο Cavendish.
(φωτογραφία από American Institute of Physics)

Μετά τα πειράματα που έκανε ο Thomson το 1897, κατέληξε σε τρεις εικασίες (υποθέσεις) για τις καθοδικές ακτίνες:
  • Οι καθοδικές ακτίνες είναι φορτισμένα σωματίδια (που τα ονόμασε "corpuscles").
  • Αυτά τα corpuscles είναι συστατικά του ατόμου.
  • Αυτά τα corpuscles είναι τα μοναδικά συστατικά του ατόμου.
Όπως είναι φανερό, οι εικασίες του Thomson αντιμετωπίστηκαν με αρκετό σκεπτικισμό. Η δεύτερη και η τρίτη εικασία ήταν ιδιαίτερα αμφιλεγόμενες (η τρίτη αποδείχθηκε λανθασμένη). Χρόνια αργότερα θυμόταν ο Thomson: "Στην αρχή υπήρχαν πολύ λίγοι που πίστευαν στην ύπαρξη αυτών των σωμάτων που ήταν μικρότερα από τα άτομα. Μάλιστα, μου ειπώθηκε πολύ αργότερα από ένα διακεκριμένο φυσικό που παρευρισκόταν στην ομιλία μου στο Royal Institution, ότι νόμιζε πως αστειευόμουν (αγγλική έκφραση "I had been pulling their legs")".


Ο Thomson καθισμένος στο γραφείο του σπιτιού του
διαβάζει εφημερίδα (1897). Η καρέκλα στην οποία 
κάθεται ανήκε στον James Clerk Maxwell.
(φωτογραφία από American Institute of Physics)

Η λέξη "ηλεκτρόνιο" ("electron") που επινόησε ο George Johnstone Stoney το 1891, είχε χρησιμοποιηθεί για να δηλώσει την ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου που διαπιστώθηκε σε πειράματα κατά τα οποία ηλεκτρικό ρεύμα περνούσε μέσα από χημικές ουσίες. Υπό αυτή την έννοια, ο όρος χρησιμοποιήθηκε από τον Joseph Larmor, συμφοιτητή του J.J. Thomson στο Cambridge. Ο  Larmor επινόησε μια θεωρία για το ηλεκτρόνιο σύμφωνα με την οποία αποτελούσε δομικό στοιχείο του "αιθέρα" (το αόρατο ρευστό με ελαστικές ιδιότητες που προτάθηκε ως υπόστρωμα για το φως και άλλα ηλεκτρικά φαινόμενα). Όμως η θεωρία του Larmor δεν περιέγραφε το ηλεκτρόνιο ως μέρος του ατόμου. 
Το 1897 ο Ιρλανδός φυσικός George Francis Fitzgerald, ανηψιός του Stoney, πρότεινε την άποψη ότι τα  corpuscles του Thomson ήταν πραγματικά "ελεύθερα ηλεκτρόνια", έχοντας κατά νου το είδος του "ηλεκτρονίου" που περιγραφόταν από τη θεωρία του Larmor και διαφωνώντας στην πραγματικότητα με τις εικασίες του Thomson. 

Φοιτητές του καθηγητή E.J. Routh στο Πανεπιστήμιο Cambridge
το 1879. Ο Thomson στέκεται όρθιος, στο μέσο της πόρτας.
Όρθιος, στο αριστερό άκρο, στέκεται ο Joseph Larmor.
 

Σταδιακά οι επιστήμονες δέχτηκαν την πρώτη και τη δεύτερη εικασία του Thomson, αν και με κάποιες λεπτές αλλαγές στο νόημά τους. Τα πειράματα του Thomson, του Lenard και άλλων κατά τη διάρκεια του κρίσιμου έτους 1897 δεν ήταν αρκετά για να ξεπεράσουν τις αβεβαιότητες. Η πραγματική κατανόηση απαιτούσε πολλά περισσότερα πειράματα τα επόμενα χρόνια.
Στον απόηχο του έργου του Thomson το 1897, οι θεωρίες για το άτομο πολλαπλασιάστηκαν. Το ερώτημα που μπήκε ήταν: αν ο Thomson είχε βρει το ενιαίο δομικό συστατικό όλων των ατόμων, πώς θα μπορούσαν να δομούνται τα άτομα από τα corpuscles;
Τον Μάρτιο 1904, ο Thomson πρότεινε ένα μοντέλο, που ονομάστηκε "plum pudding"("πουτίγκα δαμάσκηνο") ή "raisin cake" ("σταφιδόψωμο"). Σύμφωνα με αυτό το μοντέλο, το άτομο αποτελείται από ένα νέφος θετικού φορτίου δίχως μάζα, μέσα στο οποίο υπάρχει ένα σμήνος από χιλιάδες μικροσκοπικά, αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια (corpuscles). Τα ηλεκτρόνια είναι τόσα στον αριθμό ώστε το συνολικό φορτίο του ατόμου να είναι μηδέν και να εξασφαλίζεται έτσι η ηλεκτρική του ουδετερότητα. 
Βέβαια αργότερα το 1911, ήρθε ο Ernest Rutherford, πρώην φοιτητής του Thomson, που πρότεινε μια δομή για το άτομο που έμοιαζε με μικροσκοπικό ηλιακό σύστημα, το "πλανητικό" μοντέλο. 

Το ατομικό μοντέλο του "σταφιδόψωμου".

Σήμερα, στον J.J. Thomson πιστώνεται η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου (αν και για χρόνια ο ίδιος επέμενε να τα ονομάζει "corpuscles") και στον Stoney η σύλληψη της ιδέας και το όνομα.

To 1906 o J.J. Thomson έλαβε το Νόμπελ Φυσικής "σε αναγνώριση των μεγάλων πλεονεκτημάτων από τις θεωρητικές και πειραματικές έρευνές του σχετικά με την αγωγιμότητα του ηλεκτρισμού μέσα από αέρια".
  • O J.J. Thomson μιλά για το μέγεθος του ηλεκτρονίου το 1934 (απόσπασμα ηχογραφημένης ομιλίας του Thomson 37'').
  • Η ομιλία του J.J. Thomson μετά την απονομή του Νόμπελ Φυσικής.
  • Η εργασία που δημοσίευσε ο J.J. Thomson στο Philosophical Magazine, 44, 293 (1897).
  • Βίντεο από την Kathy για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου (αγγλικά, 10:37).
  • Άρθρο "Η πορεία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου" από το Physics4u.
  • Μια παρέμβαση από τον Χαράλαμπο Κασωτάκη  με τίτλο "Τα "Ιστορικά" Λάθη Των σχολικών βιβλίων.. Φυσική Γενικής Γ ΛΥΚΕΙΟΥ Το μοντέλο του Thomson" μέσα από το ylikonet.
Πηγή: Today in Science History, American Institute of Physics

2 σχόλια:

  1. Πολύ καλό άρθρο και σε ένα τομέα όπου λίγα βιβλία ασχολούνται. Μια μικρή συμπλήρωση για την αποκατάσταση της ιστορικής αλήθειας στο σύνδεσμο
    https://ylikonet.gr/2016/10/26/%CF%84%CE%B1-%CE%B9%CF%83%CF%84%CE%BF%CF%81%CE%B9%CE%BA%CE%AC-%CE%BB%CE%AC%CE%B8%CE%B7-%CF%84%CF%89%CE%BD-%CF%83%CF%87%CE%BF%CE%BB%CE%B9%CE%BA%CF%8E%CE%BD-%CE%B2%CE%B9%CE%B2%CE%BB%CE%AF%CF%89/

    ΑπάντησηΔιαγραφή
    Απαντήσεις
    1. Στις επιπλέον παραπομπές που παραθέτω στο τέλος του άρθρου ενέταξα την παρέμβασή σας. Σας ευχαριστώ.

      Διαγραφή