4. Τα πειράματα για την μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου - Το πείραμα με την σταγόνα λαδιού (The oil drop experiment).

Η συσκευή με την οποία ο Ρόμπερτ Μίλικαν έκανε το περίφημο πείραμα με την σταγόνα λαδιού.
(Από Wikimedia Commons)

Μετά την προηγούμενη ανάρτηση με θέμα «Τα Πειράματα για την Ανακάλυψη του Ηλεκτρονίου» θεώρησα λογικό να γράψω για κάτι συμπληρωματικό σ’ αυτό, συγκεκριμένα για "Τα Πειράματα για την Μέτρηση του Φορτίου του Ηλεκτρονίου». Όταν ξεκίνησα να μαζεύω το απαραίτητο υλικό, δεν φανταζόμουν ότι πίσω από αυτή την ιστορία θα υπήρχαν όλα εκείνα τα στοιχεία που κάνουν τελικά μια υπόθεση ενδιαφέρουσα, όμορφα πειράματα, έξυπνοι άνθρωποι, ίντριγκα, επιστημονικές διαφωνίες, φιλοσοφική αναζήτηση... 

Στην προηγούμενη ανάρτηση είχα αναφερθεί στην επιτυχημένη προσπάθεια του Tζ. Tζ. Τόμσον (J. J.  Thomson) για την απόδειξη της ύπαρξης του ηλεκτρονίου μέσα από τα πειράματά του με τις καθοδικές ακτίνες. Αρκετά χρόνια αργότερα, ο Αμερικανός φυσικός Ρόμπερτ Άντριους Μίλικαν (Robert  Andrews Millikan) ήταν αυτός που πιστώθηκε την επιτυχία του υπολογισμού του φορτίου ενός μόνο ηλεκτρονίου. Το πείραμα του Μίλικαν θεωρείται ένα από τα σημαντικότερα και ομορφότερα πειράματα στη φυσική, ομορφιά που προκύπτει μέσα από την απλότητα του «στησίματος» του πειράματος, με τη βοήθεια μιας εξαίρετης ερευνητικής μεθόδου, αλλά και μιας άριστης πειραματικής τεχνικής.

Ρόμπερτ Άντριους Μίλικαν

Ο Ρόμπερτ Μίλικαν κατάφερε να πετύχει το στόχο του χρησιμοποιώντας μικρές σταγόνες λαδιού και σχέσεις από την κλασική φυσική! Το πείραμα ξεκίνησε να πραγματοποιείται από τον Μίλικαν περίπου το 1906 και συνεχίστηκε μέχρι το 1917. Ήδη από το 1909, ο Μίλικαν μπόρεσε να πετύχει αυτό που δεν είχε καταφέρει ο Τόμσον 15 χρόνια πριν, τον προσδιορισμό του φορτίου ενός μόνο ηλεκτρονίου. Στη συνέχεια μπόρεσε να υπολογίσει και την μάζα του ηλεκτρονίου.

Αρχικά, ας γνωρίσουμε λίγα πράγματα για το ποιος ήταν ο Ρόμπερτ Μίλικαν.

Γεννήθηκε στις 22 Μαρτίου 1868, στο Μόρισον (Morrison) του Ιλινόις και ήταν ο δεύτερος γιος του ιερέα Ρίβερεντ Σίλας Φράνκλιν Μίλικαν (Reverend Silas Franklin Millikan) και της Μαίρη Τζέιν Άντριους (Mary Jane Andrews). Οι παππούδες του προέρχονταν από τους παλιούς άποικους που είχαν εγκατασταθεί στις ΗΠΑ (Νέα Αγγλία) πριν από το 1750.

Μεγάλωσε σε αγροτική περιοχή και παρακολούθησε το Maquoketa High School στην Αϊόβα (Iowa). Αφού εργάστηκε για μικρό χρονικό διάστημα ως δικαστικός δημοσιογράφος, γράφτηκε να παρακολουθήσει το Κολέγιο Όμπερλιν (Oberlin) του Οχάιο το 1886. Στη διάρκεια της φοίτησής του τα αγαπημένα του μαθήματα ήταν τα ελληνικά και τα μαθηματικά. Μετά την αποφοίτησή του το 1891, εργάστηκε για δύο χρόνια διδάσκοντας φυσική. Το 1893, αφού πήρε μάστερ στη φυσική από το Όμπερλιν, πήρε θέση βοηθού καθηγητή στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια (Columbia).

          

Αριστερά φαίνεται η πρώτη σελίδα του περιοδικού The Physical Review στο οποίο δημοσιεύτηκε η εργασία του Μίλικαν το 1913. Δεξιά φαίνεται η πρώτη σελίδα της δημοσιευμένης εργασίας με τίτλο "On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant”.

(Από  American Institute of Physics - AIP)

Το 1895 πήρε το διδακτορικό του από το Κολούμπια με ερευνητική εργασία στο πολωμένο φως που εκπέμπεται από λευκοπυρωμένες επιφάνειες, με την καθοδήγηση του Μάικλ Πούπιν (Michael Pupin). Ήταν ο πρώτος σπουδαστής που πήρε διδακτορικό από αυτό το τμήμα. Με πρωτοβουλία των καθηγητών του, ο Μίλικαν πέρασε ένα χρόνο (1895-1896) στη Γερμανία, στα Πανεπιστήμια του Βερολίνου και του Γκέτινγκεν. Επέστρεψε μετά από πρόσκληση του Άλμπερτ Μάικελσον (Albert Michelson) και το 1896 έγινε βοηθός καθηγητής στο νεοσυσταθέν Εργαστήριο Φυσικής Ράιερσαν (Ryerson), στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Σύντομα ασχολήθηκε με τη διδασκαλία προχωρημένων μαθημάτων στην κινητική και ηλεκτρονική θεωρία και στη θερμοδυναμική, ενώ παράλληλα άρχισε να καθοδηγεί διδακτορικούς φοιτητές.

Για τα επόμενα 10 χρόνια στο Σικάγο, ο Μίλικαν δημοσίευσε μόνο ένα άρθρο βασισμένο στη διδακτορική του διατριβή και δύο σύντομες σημειώσεις. Από την άλλη, έδειξε σημαντικό ενδιαφέρον για τη διδασκαλία της φυσικής δημοσιεύοντας πέντε εισαγωγικά εγχειρίδια (όπως «A college course in physics», το 1898 και «A laboratory course in physics for secondary schools», το 1907). Έτσι, μέχρι περίπου το 1906, ο Μίλικαν είχε γίνει ένας επιτυχημένος εκπαιδευτικός και συγγραφέας εγχειριδίων, αλλά ήξερε ότι μέχρι εκείνη τη στιγμή δεν είχε κάνει καμία έρευνα πραγματικής επιστημονικής σημασίας.

Το Εργαστήριο Ράιερσαν στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο λίγο μετά το 1894 που ολοκληρώθηκε η κατασκευή του.

Από το 1906, ο Μίλικαν, ανησυχώντας για την ερευνητική του καριέρα, όπως θυμόταν αργότερα στην αυτοβιογραφία του, άρχισε να εργάζεται για τον υπολογισμό του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου. Προφανώς, το σημαντικό άρθρο του Τζ. Τζ. Τόμσον του 1897 σχετικά με τις καθοδικές ακτίνες είχε εντυπωσιάσει τον Μίλικαν κι έτσι ξεκίνησε το ερευνητικό του έργο σ’ αυτό θέμα. Εκτός από τον Τόμσον, ένας άλλος που αποτελούσε πηγή έμπνευσης για τον Μίλικαν ήταν η σπουδαία μορφή του Μπέντζαμιν Φράνκλιν (Benjamin Franklin).

Για να κατανοήσουμε τη δημιουργία του πειράματος της σταγόνας λαδιού και την εφευρετικότητα του Μίλικαν, είναι σημαντικό να γνωρίσουμε σε συντομία μερικά από τα προηγούμενα πειράματα που προσπάθησαν να προσδιορίσουν το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο (e).

Το εξώφυλλο της αυτοβιογραφίας του Ρόμπερτ Μίλικαν.
1η έκδοση του 1950, από Prentice-Hall, Englewood Cliffs.

Ο ίδιος ο Μίλικαν (πολύ αργότερα, το 1947) θεωρούσε ότι ο Ιρλανδός Τζον Τάουνσεντ (John Townsend) ήταν ο πρώτος που μέτρησε το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο, το 1897. Αυτή η εργασία χρησιμοποίησε τη μέθοδο των σταγονιδίων για τον υπολογισμό του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου, μια μέθοδο που αξιοποίησε αργότερα ο Μίλικαν. Η μέθοδος του Τάουνσεντ συνίστατο στη μελέτη φορτισμένων νεφών σταγονιδίων νερού που σχηματίστηκαν με τον ιονισμό αέρα που ήταν κορεσμένος σε υδρατμούς. Ο ιονισμός είχε επιτευχθεί με ακτίνες Χ. Ο ρυθμός πτώσης των σταγονιδίων του νέφους λόγω της βαρύτητας και η εφαρμογή του νόμου του Στόουκς (Stokes) βοήθησαν τον Τάουνσεντ να προσδιορίσει το e και να ανακοινώσει μια μέση τιμή e ίση με 3x10^-10 esu (1 esu = 1 Hλεκτροστατική Μονάδα Φορτίου, Μονάδα στο παλιό σύστημα μονάδων CGS, 1 Coulomb = 3x10⁹ esu). Δηλαδή, ο Τάουνσεντ είχε υπολογίσει μια μέση τιμή για το e σε 1x10^-19 C.  Ο Τόμσον το 1898 ήταν ο επόμενος που προσδιόρισε το e με μια μέθοδο παρόμοια με αυτή του Τάουνσεντ και υπολόγισε μια μέση τιμή e σε 6,5x10^-10 esu (περίπου 2,17x10^-19 C). Το 1947 ο Μίλικαν αμφισβήτησε την ορθότητα της διαδικασίας που ακολούθησε ο Τάουνσεντ και ακόμη χειρότερα ο Τόμσον, ισχυριζόμενος ότι τα σταγονίδια του νερού σίγουρα εξατμίζονται κατά τη διάρκεια της πειραματικής διαδικασίας.

Βίντεο με πλήρη περιγραφή του πειράματος.

(Από τον ιστότοπο Science Ready)

Το 1903 ο Σκωτσέζος Τσαρλς Ουίλσον (Charles R.T. Wilson) ήταν ο επόμενος που προσδιόρισε το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο (e), μελετώντας σύννεφα φορτισμένων σταγονιδίων νερού που κινούνται σε ηλεκτρικά και βαρυτικά πεδία. Ο Ουίλσον παρατήρησε και κατέγραψε πρώτα το ρυθμό πτώσης της άνω επιφάνειας του νέφους μεταξύ δύο μεταλλικών πλακών με την επίδραση μόνο της βαρύτητας και αργότερα το ρυθμό πτώσης όταν δημιουργείτο ηλεκτρικό πεδίο από μπαταρία 2000 V και τα σταγονίδια κινούνται με την επίδραση του ηλεκτρικού πεδίου και της βαρύτητας. Ο Ουίλσον ανακοίνωσε την μέση τιμή e σε  3,1x10^-10 esu (1,03x10^-19 C).

Την περίοδο 1906-1907, ο Μίλικαν θέλοντας να ξεκινήσει πειράματα για την μέτρηση του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου, επανέλαβε τη διαδικασία του Ουίλσον, αλλά τα αποτελέσματα δεν κρίθηκαν ικανοποιητικά και άξια δημοσίευσης. Τα αποτελέσματα της δεύτερης προσπάθειας του Μίλικαν σε συνεργασία με τον διδακτορικό φοιτητή του Λούις Μπίτζεμαν (Louis Begeman), κρίθηκαν καλύτερα και δημοσιεύτηκαν το 1908. Η μέση τιμή του φορτίου του ηλεκτρονίου (e) βρέθηκε ίση με 4,06x10^-10 esu (1,35x10^-19 C). Μια σημαντική βελτίωση σ’ αυτή τη νέα προσπάθεια του Μίλικαν ήταν η χρήση μιας μπαταρίας 4000 V για τη μείωση του σφάλματος λόγω εξάτμισης.

O δεύτερος από τους δύο πίνακες XX όπου καταγράφονται οι πειραματικές μετρήσεις για τις σταγόνες Νο 30 - 58, όπως εμφανίζεται στην εργασία που δημοσίευσε ο Μίλικαν το 1913 στο περιοδικό The Physical Review.
(Από  American Institute of Physics - AIP)

Εκείνη την εποχή η επιστημονική βιβλιογραφία θεωρούσε ως πιο πιθανή τιμή για το φορτίο του ηλεκτρονίου το αποτέλεσμα που είχαν δημοσιοποιήσει οι Ράδερφορντ (Rutherford) και Γκάιγκερ (Geiger) το 1908. Συγκεκριμένα προσδιόρισαν το φορτίο των σωματιδίων άλφα (α) ίσο με 9,3x10^-10 esu (3,1x10¹⁹ C). Υποθέτοντας ότι το φορτίο ενός σωματιδίου άλφα (α) ήταν ίσο (κατ’ απόλυτη τιμή) με το φορτίο 2 ηλεκτρονίων, είχαν καταλήξει στο συμπέρασμα ότι το φορτίο του ηλεκτρονίου ήταν 4,65x10^-10 esu (1,55x10¹⁹ C).

Την άνοιξη και το καλοκαίρι του 1909, ο Μίλικαν επανέλαβε το πείραμά του χρησιμοποιώντας μια εξαιρετικά μεγάλη μπαταρία των 10.000 V. Αυτή η αλλαγή έδωσε την ευκαιρία στον Μίλικαν για νέες παρατηρήσεις. Το 1910 έγραφε ο Μίλικαν για το αποτέλεσμα αυτής της αλλαγής «Δεν κατέστη δυνατή η εξισορρόπηση του νέφους, όπως είχε αρχικά προγραμματιστεί, αλλά δόθηκε η δυνατότητα να γίνει κάτι πολύ καλύτερο: δηλαδή, να κρατηθούν μεμονωμένες φορτισμένες σταγόνες που αιωρούνταν στο πεδίο για περιόδους που κυμαίνονται από 30 έως 60 δευτερόλεπτα.»

Αυτή η φωτογραφία δημοσιεύτηκε ως "φωτό Νο 9" στο βιβλίο του Μίλικαν "The Electron", University of Chicago Press, 1917. Μ' αυτό τον εξοπλισμό έγιναν τα πειράματα στο Εργαστήριο Ράιερσαν. 
(Από Caltech Images Collection)

Η εφαρμογή του ισχυρού πεδίου των 10.000 V διασκόρπισε το σύννεφο των υδρατμών ακαριαία και άφησε ένα μικρό αριθμό σταγόνων, οι οποίες εμφανίστηκαν ως διακριτά φωτεινά σημεία. Συνειδητοποιώντας ο Μίλικαν ότι από την αύξηση του ηλεκτρικού πεδίου μόνο μερικά σταγονίδια μπορούσαν να παραμείνουν, αποφάσισε να απομονώσει μεμονωμένα σταγονίδια, αλλά σύντομα παρατήρησε ότι τα μεμονωμένα σταγονίδια νερού εξατμίστηκαν πολύ γρήγορα για να δώσουν αξιόπιστες μετρήσεις. Τότε, ο Χάρβι Φλέτσερ, που είχε μπει στην ομάδα ως διδακτορικός φοιτητής, πρότεινε να δημιουργηθούν σταγονίδια μακράς διαρκείας με ένα ελαφρύ λάδι που το χρησιμοποιούσαν για τη λίπανση ρολογιών.

Ο Μίλικαν δίνει πολλές λεπτομέρειες για τα πειράματα που έστηνε στο Εργαστήριο Ράιερσαν στο κεφάλαιο “My oil drop venture” («Το εγχείρημά μου με την σταγόνα του λαδιού») της αυτοβιογραφίας που εξέδωσε το 1950 με τίτλο “The Autobiography of Robert A. Millikan” («Η αυτοβιογραφία του Ρόμπερτ Α. Μίλικαν»). Με την βοήθεια των μεταπτυχιακών βοηθών του Λούις Μπίτζεμαν, Χάρβι Φλέτσερ (Harvey Fletcher) και του τεχνικού Τζ. Γίμπονγκ Λι  (J. Yinbong Lee) και δουλεύοντας ακατάπαυστα από το 1909 ως την άνοιξη του 1912 μπόρεσε να ολοκληρώσει το πείραμα που έχει γίνει γνωστό διεθνώς με τον τίτλο “The oil drop experiment” («Το πείραμα της σταγόνας λαδιού»).

Χάρβι Φλέτσερ
(Από  ztfnews)

Τα πρώτα αποτελέσματα των πειραμάτων του δημοσιεύτηκαν τον Σεπτέμβριο του 1910 στο περιοδικό Science με τίτλο “The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes’ Law” («Η απομόνωση ενός ιόντος, η ακριβής μέτρηση του φορτίου του και η διόρθωση του νόμου του Στόουκς») (Science τεύχος 32, σελ. 436-448). Σ’ αυτή την εργασία, όπως και στις επόμενες, μοναδικός συγγραφέας παρουσιάζεται ο Ρόμπερτ Μίλικαν. Ο Χάρβι Φλέτσερ δεν συμπεριλήφθηκε ως συγγραφέας, με βάση μια συμφωνία που έγινε ανάμεσα στους δύο επιστήμονες (παρακάτω θ’ αναφερθώ σ’ αυτή).

Αυτή η δημοσίευση του Μίλικαν τον έφερε σε αντιπαράθεση με τον Αυστριακό φυσικό Φίλιξ Έρενχαφτ (Felix Ehrenhaft) που ήταν καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Βιέννης. Ο Έρενχαφτ υποστήριζε ότι, σε παρόμοιο πείραμα που είχε κάνει, η τιμή που είχε υπολογίσει για το στοιχειώδες ηλεκτρικό φορίο ήταν αρκετά μικρότερη από αυτή που είχε υπολογίσει ο Μίλικαν.

Φίλιξ Έρενχαφτ
(Από  Πανεπιστήμιο Βιέννης)

Η διαµάχη αρχίζει το 1910, όταν στο άρθρο του Έρενχαφτ ο Μίλικαν κάνει κριτική για την ακρίβεια των αποτελεσµάτων που είχε δηµοσιεύσει ο Έρενχαφτ παρ’ όλο που και τα αποτελέσµατα και η µέθοδος που χρησιµοποιούσε έµοιαζαν µε τα δικά του. Ο Έρενχαφτ απάντησε στην κριτική του Μίλικαν µε ένα επόµενο άρθρο στο οποίο υπολόγισε το φορτίο της κάθε σταγόνας για κάθε παρατήρηση του Μίλικαν χωριστά. Το αποτέλεσµα ήταν ένα πολύ µεγάλο εύρος τιµών του φορτίου της σταγόνας, που δεν ήταν όλες ακέραιο πολλαπλάσιο του στοιχειώδους. Αυτό το αποτέλεσµα εξασθενούσε τον ισχυρισµό για την ύπαρξη του ελάχιστου ηλεκτρικού φορτίου. Ο Έρενχαφτ, κατόπιν, χρησιµοποιώντας τη δική του µέθοδο, βρήκε σταγόνες υγρού και µεταλλικά σωµατίδια να έχουν φορτίο ίσο µε το 1/2, το 1/5, το 1/10, το 1/100 ακόµη και το 1/1000, αυτού του φορτίου του ηλεκτρονίου. Συµπέρανε τότε ότι αδιαίρετη ποσότητα ηλεκτρικού φορτίου δεν υπήρχε στο επίπεδο που βρέθηκε από το Μίλικαν.

Στο μέσο ο Χάρβι Φλέτσερ, δεξιά ο Ρόμπερτ Μίλικαν και αριστερά ο αρχιμουσικός Λέοπολντ Στοκόφσκι (Leopold Stokowski) με τον οποίο συνεργάστηκε ο Φλέτσερ στην παραγωγή μουσικών οργάνων στα Εργαστήρια Bell. 
(Από  Physics Today, φωτογραφία που προσφέρθηκε από τον Στέφεν Φλέτσερ, γιο του Χ. Φλέτσερ)

Η αντιπαράθεση ανάµεσα στις δύο πλευρές ήταν έντονη. Ο Έρενχαφτ έγραψε 12 περίπου άρθρα µέσα σε 4 χρόνια, όλα εντελώς στοχευµένα στην αµφισβήτηση των µετρήσεων του Μίλικαν. O Μίλικαν επίσης έγραψε πολύ και αντίκρουσε τις κριτικές του Έρενχαφτ.

Η διαµάχη των Μίλικαν - Έρενχαφτ (η «µάχη για το ηλεκτρόνιο», όπως ονομάστηκε) κράτησε από το 1910 έως το1923. Βέβαια ο ίδιος ο Έρενχαφτ δηµοσίευε άρθρα για το θέµα µέχρι τη δεκαετία του 1940, όταν πια κανείς πλέον δεν ενδιαφερόταν γι’ αυτό.

Λούις Μπίτζεμαν
(Από  central.evscschools)

Με την πάροδο των ετών όλο και περισσότεροι φυσικοί συντάσσονταν με τα αποτελέσματα του Μίλικαν. Ακόμη και το 1940, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν (Albert Einstein), που ήταν συμπατριώτης και φίλος του Έρενχαφτ, είχε γράψει για το θέμα «Σχετικά με τα αποτελέσματά του για το στοιχειώδες φορτίο, δεν πιστεύω στα αριθμητικά του αποτελέσματα (σημ. του Έρενχαφτ), αλλά πιστεύω ότι κανείς δεν έχει ξεκάθαρη ιδέα για τα αίτια που δημιουργούν τις προφανείς διαφορές που βρήκε με προσεκτικές έρευνες.»

Μετά την πρώτη δημοσίευσή του, ο Μίλικαν συνέχισε τις μετρήσεις του στήνοντας μια σειρά νέων πειραμάτων. Την άνοιξη του 1912 είχε πλέον συγκεντρώσει έναν ικανοποιητικό αριθμό μετρήσεων, τέτοιο ώστε να τον χαρακτηρίσει (στην αυτοβιογραφία του) ως «τον τελικό, απόλυτο προσδιορισμό της αριθμητικής τιμής του ηλεκτρονίου».

(1η σειρά, από αρ.) Άλμπερτ Μάικελσον, Άλμπερτ Αινστάιν και Ρόμπερτ Μίλικαν μπροστά από το Athenaeum στο Caltech (1931).

Τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν τον Αύγουστο του 1913 στο περιοδικό Physical Review (σειρά 2, τόμος 2, 1913, σελ. 109), με τίτλο “On the Elementary Electrical Charge and the Avogadro Constant” («Σχετικά με το Στοιχειώδες Ηλεκτρικό Φορτίο και τη Σταθερά Avogadro»). Οι μετρήσεις από αυτή την τελευταία σειρά πειραμάτων καταγράφηκαν σε 2 εργαστηριακά σημειωματάρια και ήταν τα μόνα πειστήρια με μετρήσεις που διατήρησε ο Μίλικαν στο αρχείο του. Τα 2 σημειωματάρια έκτασης περίπου 175 σελίδων, καλύπτουν εργαστηριακά την περίοδο από 28 Οκτωβρίου 1911 μέχρι 16  Απριλίου 1912.

Το διάσημο πείραμα του Μίλικαν στην τελευταία του μορφή ήταν βελτιωμένο σε σχέση με προηγούμενες προσπάθειες κι έχει χαρακτηριστεί ως ένα από τα πιο όμορφα στην ιστορία της φυσικής. Όμως, όπως θα δούμε παρακάτω, έχει αποτελέσει και πεδίο έντονης επιστημονικής αντιπαράθεσης με κατηγορίες προς την πλευρά του Μίλικαν για σκόπιμα επιστημονικά παραπτώματα.

Ας δούμε τώρα με κάποιες περισσότερες λεπτομέρειες την διεξαγωγή του πειράματος που έστησαν ο Μίλικαν με τον μεταπτυχιακό φοιτητή του Φλέτσερ και την τεχνική βοήθεια του Γίμπονγκ Λι και αργότερα πολλές γενιές φοιτητών φυσικής επανέλαβαν στα πανεπιστημιακά εργαστήρια σ’ όλο τον κόσμο. Όπως το συνηθίζω σε παρόμοιες αναρτήσεις, δεν θ’ ασχοληθώ με το μαθηματικό μέρος (που σίγουρα υπάρχει) της πειραματικής διαδικασίας. Ο επιμελής και φιλομαθής αναγνώστης μπορεί να βρει όλο το απαραίτητο υλικό μαθηματικής τεκμηρίωσης στους συνδέσμους που παραθέτω στο τέλος της ανάρτησης ή (και) στις πηγές που αναφέρω.

Σχεδιάγραμμα της συσκευής του πειράματος όπως εμφανίζεται στην εργασία που δημοσίευσε ο Μίλικαν το 1913 στο περιοδικό The Physical Review.
(Από  American Institute of Physics - AIP)

Το πείραμα με τη σταγόνα του λαδιού που σχεδίασαν οι Μίλικαν και Φλέτσερ είχε δύο θαλάμους. Στον πάνω θάλαμο, ένας ψεκαστήρας (όπως αυτός που χρησιμοποιείται στα μπουκάλια αρωμάτων) δημιουργούσε ένα λεπτό σύννεφο σταγονιδίων λαδιού πολύ μικρού μεγέθους (ακτίνα τάξης μεγέθους «μικρόν» - 1 μm). Το λάδι που χρησιμοποιήθηκε δεν ήταν από τα συνηθισμένα έλαια, γιατί, με τη θερμότητα που προερχόταν από την φωτεινή πηγή, αυτό θα εξατμιζόταν, προκαλώντας αλλαγή της μάζας της σταγόνας του λαδιού κατά τη διάρκεια του πειράματος. Το λάδι που χρησιμοποιήθηκε είχε εξαιρετικά χαμηλή τάση ατμών και συνήθως το χρησιμοποιούσαν σε συσκευές κενού.

Μεμονωμένα σταγονίδια έπεφταν μέσα από μια οπή καρφίτσας στον κάτω θάλαμο, στον οποίο υπήρχαν δύο οριζόντιες πλάκες, με τη μία να κρατιέται 16 χιλιοστά πάνω από την άλλη. Τα σταγονίδια του λαδιού αποκτούσαν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο κατά τον ψεκασµό εξαιτίας της τριβής, αλλά και από τη χρήση ακτινοβολίας Χ που προκαλούσε τον ιονισμό των μορίων του αερίου. Αυτά παρήγαγαν ελεύθερα ηλεκτρόνια που προσκολούνταν στα σταγονίδια του λαδιού με αποτέλεσμα να φορτίζονται αρνητικά.

(α) Σχέδιο με τις δυνάμεις που δρουν στη σταγόνα λαδιού όταν κάνει ελεύθερη πτώση χωρίς την ύπαρξη ηλεκτρικού πεδίου.
(β) Σχέδιο με τις δυνάμεις που δρουν στη σταγόνα λαδιού όταν ισορροπεί με την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου.
(γ) Σχέδιο με τις δυνάμεις που δρουν στη σταγόνα λαδιού όταν κινείται ανοδικά, αφού έχει εφαρμοστεί το ηλεκτρικό πεδίο. 
(Από  περιοδικό The Physics Teacher)

Ένα μικρό παράθυρο στο πλάι επέτρεπε στους ερευνητές να παρατηρούν τα σταγονίδια μέσω ενός μικροσκοπίου. Υπήρχαν τρεις ακόμη μικρές τρύπες που επέτρεπαν να περνάει το φως. Τα σταγονίδια έπεφταν αρκετά αργά, λόγω της αντίστασης του αέρα, ώστε οι ερευνητές να μπορούν να μετρήσουν την καθοδική τους ταχύτητα με το μάτι, χρησιμοποιώντας στο μικροσκόπιο οριζόντιες γραμμές που απείχαν 0,01mm. Από αυτή την ταχύτητα, θα μπορούσαν να εκτιμήσουν το μέγεθος και τη μάζα κάθε σταγονιδίου.

Στη συνέχεια εφάρμοσαν υψηλή τάση στις πλάκες και μέτρησαν την ανοδική ταχύτητα του σταγονιδίου, για να προσδιορίσουν την ηλεκτρική δύναμη και τελικά το φορτίο. Μπορούσαν να γίνουν πολλαπλές μετρήσεις σ’ ένα μόνο σταγονίδιο ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας επανειλημμένα το ηλεκτρικό πεδίο. Τα σταγονίδια είχαν διάφορες ποσότητες φορτίου πάνω τους (και συχνά κέρδιζαν ή έχαναν φορτίο κατά τη διάρκεια μιας παρατήρησης), αλλά τα δεδομένα έδειξαν ότι το φορτίο ήταν πράγματι κβαντισμένο, αποτελώντας ακέραιο πολλαπλάσιο ενός μοναδιαίου φορτίου.

Μία σελίδα από τις εργαστηριακές σημειώσεις που είχε κρατήσει ο Μίλικαν. Στο πάνω μέρος διαβάζουμε την ημερομηνία "Σάββατο 27 Ιανουαρίου 1912".
(Από  Αρχείο Caltech)

Το ηλεκτρικό πεδίο ήταν προσανατολισμένο έτσι ώστε ο θετικός ακροδέκτης να βρίσκεται στο επάνω μέρος. Επομένως, η ηλεκτρική δύναμη που θα δρούσε στα σταγονίδια του λαδιού θα είχε φορά προς τα πάνω. Την ίδια στιγμή, τα σταγονίδια του λαδιού θα δέχονταν προς τα κάτω βαρυτική δύναμη (λόγω της μάζας τους) και προς τα πάνω δύναμη άνωσης (η κατεύθυνση εξαρτάται από την ταχύτητα των σταγονιδίων). Ο Μίλικαν ρύθμισε την ένταση του πεδίου έτσι ώστε τα σταγονίδια να αιωρούνται (ισορροπία). Γνώριζε ότι όταν συνέβαινε αυτό η προς τα κάτω δύναμη της βαρύτητας στα ακίνητα σταγονίδια αντισταθμιζόταν ακριβώς από την προς τα πάνω ηλεκτρική δύναμη. Με την εφαρμογή της κατάλληλης διαφοράς δυναμικού, ο Μίλικαν ήταν σε θέση να προσδιορίσει το ηλεκτρικό φορτίο του ηλεκτρονίου.

Ο Μίλικαν χρησιμοποίησε μια έξυπνη μέθοδο για τον υπολογισμό της μάζας των σταγονιδίων του λαδιού. Μέτρησε την τελική ταχύτητα των σταγονιδίων λαδιού όταν το ηλεκτρικό πεδίο ήταν απενεργοποιημένο. Όταν δεν υπάρχει ηλεκτρική δύναμη, στα σταγονίδια λαδιού δρουν η βαρυτική δύναμη (δηλαδή το βάρος τους) και η τριβή που προκαλείται από τον αέρα. Με δεδομένο ότι η τριβή επηρεάζεται από τη διάμετρο των σταγονιδίων, ο Μίλικαν ήταν σε θέση να χρησιμοποιήσει την ταχύτητά τους για να υπολογίσει την ακτίνα και επομένως τον όγκο τους. 

Χρησιμοποιώντας τον υπολογισμένο όγκο (ο οποίος ήταν διαφορετικός μεταξύ των σταγονιδίων) και την πυκνότητα του λαδιού, ο Μίλικαν ήταν σε θέση να υπολογίσει τη μάζα των σταγονιδίων του λαδιού. Στη συνέχεια, υπολόγισε το φορτίο για πολλά σταγονίδια, το καθένα διαφορετικό σε μάζα (βελτιωμένη αξιοπιστία των αποτελεσμάτων).

Στη φωτογραφία φαίνονται: (μπροστά) ο Καρλ Κίνσλεϊ (Carl Kinsley),  (πίσω από αρ.) ο Άλμπερτ Μάικελσον, ο Ρόμπερτ Μίλικαν και ο Χένρι Γκέιλ (Henry Gale), στα σκαλιά του Εργαστηρίου Φυσικής Ράιερσαν, στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο (12 Ιουνίου 1908).
(Από  Συλλογή Αρχείων Emilio Segrè)

Το αποτέλεσμα στο οποίο κατέληξε ο Μίλικαν ήταν ότι τα φορτία των σταγονιδίων διαφορετικού μεγέθους ήταν κβαντισμένα, δηλαδή ήταν πολλαπλάσια ενός συγκεκριμένου αριθμού. Αυτός ο αριθμός προσδιορίστηκε ως 1,59x10^-19 που θεωρήθηκε ότι είναι το ηλεκτρικό φορτίο ενός ηλεκτρονίου σε C.

Ο προσδιορισμός του ηλεκτρικού φορτίου από τον Μίλικαν ήταν αρκετά ακριβής, δεδομένου ότι η απόκλιση της τιμής ήταν περίπου 0,7% από την τρέχουσα αποδεκτή τιμή που είναι 1,602x10^-19 C. Αργότερα ανακαλύφθηκε ότι η πειραματική τιμή απέκλινε από την πραγματική τιμή επειδή το ιξώδες του αέρα δεν υπολογίστηκε σωστά τη στιγμή του πειράματος (το ιξώδες του αέρα επηρεάζει τη δύναμη άνωσης).

Το πείραμα με τη σταγόνα του λαδιού ήταν σημαντικό γιατί έδινε την πρώτη σαφή μέτρηση του θεμελιώδους ηλεκτρικού φορτίου και έτσι βοήθησε να εδραιωθεί η ιδέα ότι η φύση είναι «κοκκώδης» στο μικρότερο (ατομικό) επίπεδο, ότι δηλαδή υπήρχε στη φύση ένα στοιχειώδες ηλεκτρικό φορτίο από το οποίο αποτελούνταν όλα τα σώµατα.

Το 1923, ο Ρόμπερτ Μίλικαν πήρε το Bραβείο Νόμπελ στη Φυσική «για το έργο του σχετικά με το στοιχειώδες φορτίο του ηλεκτρισμού και το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο».

Εξώφυλλο-αφιέρωμα του περιοδικού TIME στον Ρόμπερτ Μίλικαν (Νο 17, 25 Απριλίου 1927).

Αργότερα, η μελέτη των εργαστηριακών σημειωματάριων του Μίλικαν (βρίσκονται στο CalTech-Τεχνολογικό Ινστιτούτο Καλιφόρνιας) από ιστορικούς και επιστήμονες αποκάλυψε ότι, μεταξύ Φεβρουαρίου και Απριλίου 1912, είχε πάρει δεδομένα για πολύ περισσότερες σταγόνες λαδιού από ό,τι ανέφερε στην εργασία του. Στις εργαστηριακές σηµειώσεις τoυ Μίλικαν υπήρχαν µετρήσεις για 140 σταγόνες και τα δηµοσιευµένα αποτελέσµατα το 1913 αναφέρουν καθαρά ότι υπήρχαν µετρήσεις για 58 σταγόνες. Αυτό, από κάποιους μελετητές θεωρήθηκε ως συνειδητή διαστρέβλωση των πειραματικών στοιχείων, προκειμένου να προκύψει «βολικό» αποτέλεσμα, με δεδομένο ότι στην εργασία του Αυγούστου του 1913 αναφέρεται ρητά «Πρέπει να παρατηρηθεί επίσης, ότι αυτή δεν είναι μια επιλεγμένη ομάδα σταγόνων, αλλά αντιπροσωπεύει όλες τις σταγόνες που παρατηρήθηκαν κατά τη διάρκεια 60 συνεχόμενων ημερών»! Βέβαια, σε άλλο σημείο της εργασίας γράφει ότι οι 58 σταγόνες που αναφέρθηκαν είναι εκείνες «πάνω στις οποίες έγινε μια πλήρης σειρά παρατηρήσεων». Να επισημάνω ότι στα περιθώρια των σημειωματαρίων του εμφανίζονται πολλές χειρόγραφες σημειώσεις του τύπου “beauty publish” [«ωραίο (για) δημοσίευση»], “something wrong” [«κάτι (πήγε) στραβά»], «έπεσε η τάση της µπαταρίας» ή «υπάρχει λάθος στο χρονόµετρο».

Αυτή την τακτική του Μίλικαν ορισμένοι την χαρακτήρισαν ως σαφή περίπτωση επιστημονικής απάτης. Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες και ιστορικοί, εξετάζοντας προσεκτικά τα σημειωματάριά του, κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι ο Μίλικαν προσπαθώντας να δώσει με ακρίβεια τα αποτελέσματα των μετρήσεών του, παρουσίασε μόνο τα πιο αξιόπιστα δεδομένα του, χωρίς να προσπαθήσει να παραπλανήσει σκόπιμα. Για παράδειγμα, απέρριψε σταγόνες που ήταν πολύ μεγάλες κι επειδή έπεφταν πολύ γρήγορα, δεν μπορούσαν να μετρηθούν με ακρίβεια με τον υπάρχοντα εξοπλισμό του, ή πολύ μικρές σταγόνες, των οποίων οι μετρήσεις θα είχαν επηρεαστεί υπερβολικά από την κίνηση Μπράουν (Brown). Για ορισμένες σταγόνες υπήρχε ελλιπής καταγραφή δεδομένων, κάτι που έδειχνε ότι η καταγραφή σταμάτησε κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης του πειράματος.

Η μία από τις δύο γραφικές παραστάσεις που περιέχονται στην εργασία που δημοσίευσε ο Μίλικαν το 1913 στο περιοδικό The Physical Review.
(Από  American Institute of Physics - AIP)

Μερικοί επιστήμονες που έχουν εξετάσει τις σημειώσεις του Μίλικαν και έχουν κάνει τους υπολογισμούς, καταλήγουν στο συμπέρασμα ότι έστω κι αν είχε συμπεριλάβει τις μετρήσεις απ’ όλες τις σταγόνες, το τελικό αποτέλεσμα της μέτρησης του στοιχειώδους ηλεκτρικού φορτίου πρακτικά δεν θα άλλαζε.

Το 1913 ο Μίλικαν, συνοψίζοντας την τελευταία μέθοδο που χρησιμοποίησε, έγραψε:  

«Το βασικό χαρακτηριστικό της μεθόδου συνίστατο στην επανειλημμένη αλλαγή του φορτίου σε μια δεδομένη σταγόνα με τη δέσμευση ιόντων από τον αέρα και στην απόκτηση έτσι μιας σειράς φορτίων με κάθε σταγόνα. Αυτά τα φορτία έδειξαν μια πολύ ακριβή πολλαπλή σχέση κάτω από όλες τις συνθήκες – ένα γεγονός που έδειξε πολύ άμεσα την ατομική δομή του ηλεκτρικού φορτίου.»

Ας δούμε και λίγα πράγματα για την συμμετοχή του Χάρβι Φλέτσερ (1884-1981) στο πείραμα και την συνεργασία του με τον Ρόμπερτ Μίλικαν.

Το δίπλωμα του Βραβείου Franklin που έλαβε ο Μίλικαν το 1937
για το σύνολο της επιστημονικής προσφοράς του.

Ο Φλέτσερ είχε μια διακεκριμένη καριέρα στον τομέα της ακουστικής επικοινωνίας (φυσική της ακουστικής) στα Εργαστήρια Bell από το 1925 μέχρι το 1952. Θεωρείται ως ο πατέρας του στερεοφωνικού ήχου και του πιστώνεται η εφεύρεση του ακουστικού βαρηκοΐας και του πρώτου ακοόμετρου. Επίσης δίδαξε στο Πανεπιστήμιο Κολούμπια και στο Brigham Young University (BYU), το πανεπιστήμιο απ' όπου είχε αποφοιτήσει. Όμως, η συμβολή του στο «πείραμα της σταγόνας λαδιού» ξεχάστηκε σε μεγάλο βαθμό. Η δική του εκδοχή της ιστορίας παρέμεινε ανείπωτη μέχρι τον Ιούνιο του 1982, όταν μετά το θάνατό του (1981) το περιοδικό Physics Today δημοσίευσε ένα απόσπασμα από την αδημοσίευτη αυτοβιογραφία του (1967), όπου περιγράφει λεπτομερώς τη συμμετοχή του στο διάσημο πείραμα. Σ’ αυτό το απόσπασμα ο Φλέτσερ περιγράφει πώς πλησίασε τον Μίλικαν (τότε είχε γίνει βοηθός Καθηγητή) στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο το 1908, στην προσπάθειά του να γίνει δεκτός ως μεταπτυχιακός φοιτητής. Αφού τελικά έγινε δεκτός με τις χρήσιμες συμβουλές του Μίλικαν, αυτός του πρότεινε να κάνει διδακτορικό με θέμα βασισμένο στο πείραμα που ήδη δούλευε με τον Λούις Μπίτζεμαν, για την μέτρηση του φορτίου του ηλεκτρονίου, κάτι που ο Φλέτσερ δέχτηκε αμέσως. Αργότερα ο Μπίτζεμαν αποχώρησε από την ομάδα και όπως λέει χαρακτηριστικά ο Φλέτσερ «Ήμασταν μαζί (με τον Μίλικαν) σχεδόν κάθε απόγευμα, τα επόμενα δύο χρόνια». Περί τα τέλη Μαΐου 1910, όταν πλέον είχε ολοκληρωθεί το γράψιμο της 1^ης εργασίας, ο Μίλικαν επισκέφτηκε στο σπίτι του τον Φλέτσερ. Ας αφήσουμε το κείμενο της αυτοβιογραφίας του Φλέτσερ να μιλήσει:

Το μετάλλιο (αρισ.) και το δίπλωμα (δεξ.) που συνόδευαν το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1923 
στον Ρόμπερτ Μίλικαν.
(Από  περιοδικό The Physics Teacher)

«Απαντώντας σ' ένα χτύπημα, πήγα στην πόρτα και έκπληκτος είδα τον Μίλικαν. Αναρωτήθηκα γιατί είχε έρθει στο ταπεινό διαμέρισμά μας. Σύντομα ανακάλυψα ότι έπρεπε να αποφασίσω ποιος θα ήταν ο συντάκτης της εργασίας που αναφέρθηκε παραπάνω. Υπήρχαν τέσσερις άλλες εργασίες στο στάδιο της διαμόρφωσης που έβγαιναν από τα πειράματα σταγόνας λαδιού και περίμενα ότι όλες θα ήταν κοινές εργασίες. Είπε ότι αν χρησιμοποιούσα μια δημοσιευμένη εργασία για τη θέση του διδακτορικού μου, θα πρέπει να είμαι ο μοναδικός συγγραφέας της (σημ. προϋπόθεση για την λήψη του διδακτορικού). Οι πέντε εργασίες στις οποίες κάναμε την πειραματική εργασία μαζί ήταν:

•       "The Isolation of an Ion, a Precision Measurement of Its Charge, and the Correction of Stokes’ Law” («Η απομόνωση ενός ιόντος, η ακριβής μέτρηση του φορτίου του και η διόρθωση του νόμου του Στόουκς») (δημοσίευση στο Science, 30 Σεπτεμβρίου 1910, από Μίλικαν),
•      “Causes of Apparent Discrepancies and Recent Work on the Elementary Electrical Charge” («Αιτίες Προφανών Αποκλίσεων και Πρόσφατες Εργασίες σχετικά με το Στοιχειώδες Ηλεκτρικό Φορτίο») (δημοσίευση στο Physical Review Ιανουάριος 1911, από Μίλικαν και Φλέτσερ),
•     “Some Contributions to the Theory of Brownian Movements, with Experimental Applications” («Μερικές Συνεισφορές στη Θεωρία της Κίνησης Μπράουν, με Πειραματικές Εφαρμογές) (δημοσίευση στο Physical Review, 1 Φεβρουαρίου 1911, από Φλέτσερ),
•     “The Question of Valency in Gaseous Ionization” («Το Ζήτημα του Σθένους στον Αέριο Ιονισμό») (δημοσίευση στο Physical Review, 1 Φεβρουαρίου 1911, από Μίλικαν και Φλέτσερ),
•          “A Verification of the Theory of Brownian Movements and a Direct Determination of the Value of N_e for Gaseous Ionization” («Επαλήθευση της Θεωρίας των Κινήσεων Μπράουν και Άμεσος Προσδιορισμός της Τιμής του N_e στον Αέριο Ιονισμό»)  (δημοσίευση στο Physical Review, 1 Αυγούστου 1911 και Le Radium, 1 Ιουλίου 1911,  από Φλέτσερ).

Το γραμματόσημο που εκδόθηκε το 1982 στις ΗΠΑ προς τιμή του Μίλικαν.

Ήταν φανερό ότι ήθελε να είναι ο μοναδικός συγγραφέας στην πρώτη εργασία. Δεν μου άρεσε αυτό, αλλά δεν μπορούσα να βρω κάποια άλλη λύση, έτσι συμφώνησα να χρησιμοποιήσω την 5^η εργασία σαν την διδακτορική μου εργασία. Όπως μπορείτε να καταλάβετε από τα παραπάνω, ήμουν ο μοναδικός συγγραφέας στην 3^η εργασία και συνσυγγραφέας με τον Μίλικαν στη 2^η και στην 4^η.

Ο κόσμος συχνά με ρωτούσε αν είχα άσχημα αισθήματα για τον Μίλικαν επειδή δεν μου επέτρεψε να είμαι συνσυγγραφέας με αυτόν στην 1^η εργασία που πραγματικά τον οδήγησε στο Βραβείο Νόμπελ. Η απάντησή μου πάντα ήταν «όχι». Είναι φανερό ότι δυσαρεστήθηκα καθώς είχα κάνει σημαντική εργασία πάνω σ’ αυτό, και ήλπιζα ότι θα είμαι συνσυγγραφέας. Όμως ο Μίλικαν ήταν πολύ καλός μαζί μου την εποχή που ήμουν στο Σικάγο. Ήταν η δικιά του επιρροή που μ’ έβαλε στο μεταπτυχιακό. Επίσης αυτός μου βρήκε αποδοτικές εργασίες για να καλύψω όλα τα προσωπικά και σπουδαστικά έξοδά μου τα δύο πρώτα χρόνια. Πέρα από αυτά, ήταν η φιλία που δημιουργήθηκε μέσα από την στενή εργασιακή επαφή για πάνω από δύο χρόνια. Τελικά αυτή κράτησε σε όλη μας τη ζωή. Όταν έγραψε τις αναμνήσεις του λίγο πριν πεθάνει ίσως είχε ξεχάσει κάποιες από αυτές τις πρώιμες εμπειρίες.

Ρόμπερτ Μίλικαν και Μαρί Κιουρί σε συνέδριο πυρηνικής φυσικής στη Ρώμη, τον Οκτώβριο του 1931.
Ακριβώς πίσω από την Κιουρί φαίνεται ο Χάιζεμπεργκ.
(Από  Wikimedia Commons)

Αποφοίτησα με διδακτορικό στη Φυσική το 1911 summa cum laude (σημ. ο υψηλότερος από τους τρεις ακαδημαϊκούς τίτλους για αποφοίτους στις ΗΠΑ). Αυτός ήταν ο πρώτος τόσο υψηλός τίτλος που είχε δοθεί σε απόφοιτο Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. Κατά την αποφοίτηση εκλέχτηκα τιμητικά μέλος της ΦΒΚ (Phi Beta Kappa) (σημ. Φοιτητική αδελφότητα αρίστων αποφοίτων από πανεπιστήμια των ΗΠΑ. Παραδοσιακά αυτές οι αδελφότητες ονοματίζονται με κεφαλαία γράμματα του ελληνικού αλφαβήτου). Δέχτηκα πολύ θερμή υποδοχή από τους συναδέλφους μου.

Ήταν από αυτούς τους συναδέλφους που κυκλοφόρησαν οι φήμες ότι είχα μια άδικη μεταχείριση από τον Καθηγητή Μίλικαν και αυτές οι φήμες αιωρούντο στα Εργαστήρια Φυσικής Ράιερσαν για πολλά χρόνια αφότου έφυγα από εκεί. Αυτός είναι ένας λόγος που έχω περιγράψει με κάποιες λεπτομέρειες τη σχέση και συνεισφορά μου στο περίφημο πείραμα με τη σταγόνα λαδιού.»

Η αυτοβιογραφία του Φλέτσερ και ειδικά το τμήμα που περιέχει τις αναμνήσεις του από το πείραμα με την σταγόνα λαδιού δόθηκε στο περιοδικό Physics Today από τον Mark B. Gardner που ήταν φίλος του Φλέτσερ  και συνάδελφός του  στα Εργαστήρια Bell, κατόπιν αδείας της οικογένειας Φλέτσερ.

Λέγεται, ότι στο πλαίσιο της υποστήριξης, ο Μίλικαν χρησιμοποίησε την επιρροή του για την εξέλιξη της καριέρας του Φλέτσερ στα Εργαστήρια Bell.

Νομίζω, ότι αξίζει να αναφέρω πως ο Μίλικαν αφιερώνει ένα μέρος (2 προτάσεις) της τελευταίας παραγράφου της εργασίας του 1913 στον τεχνικό του Τζ. Γίμπονγκ Λι αναφέροντας: "Με χαρά αναγνωρίζω την ικανή βοήθεια του κ. Τζ. Γίμπογκ Λι στο να εκτελέσει κάποιες από τις παραπάνω παρατηρήσεις. ..."

Στην εικόνα φαίνεται η εξέλιξη της τιμής του ηλεκτρικού φορτίου του ηλεκτρονίου από το 1913 μέχρι το 1951, με διάφορες πειραματικές μεθόδους.
(Από  τον ιστότοπο scipython.com)

Θα κλείσω το κείμενο παρουσιάζοντας κάποιες σκέψεις του Ρίτσαρντ Φάινμαν από το βιβλίο του «Σίγουρα θα αστειεύεστε κ. Φάινμαν» με αφορμή την εξέλιξη της τιμής του φορτίου του ηλεκτρονίου:

«Έχουμε μάθει πολλά από την εμπειρία για το πώς να χειριστούμε μερικούς από τους τρόπους με τους οποίους κοροϊδεύουμε τον εαυτό μας. Ένα παράδειγμα: Ο Μίλικαν μέτρησε το φορτίο σε ένα ηλεκτρόνιο με ένα πείραμα ρίχνοντας σταγόνες λαδιού και πήρε μια απάντηση που τώρα γνωρίζουμε ότι δεν είναι σωστή. Έπεσε λίγο έξω επειδή είχε λανθασμένη τιμή για το ιξώδες του αέρα. Είναι ενδιαφέρον να δούμε την ιστορία των μετρήσεων του φορτίου ενός ηλεκτρονίου, μετά τον Μίλικαν. Αν σχεδιάσετε τις τιμές ως συνάρτηση του χρόνου, θα διαπιστώσετε ότι η μία είναι λίγο μεγαλύτερη από του Μίλικαν και η επόμενη είναι λίγο μεγαλύτερη από αυτή και η επόμενη είναι λίγο μεγαλύτερη από αυτή, μέχρι τελικά να σταθεροποιηθούν σε έναν αριθμό που είναι υψηλότερος.

Ο προηγούμενος πίνακας με τις τιμές του φορτίου του e, σε άξονες τιμών (x-έτος, y-φορτίο e).
(Από  τον ιστότοπο scipython.com)

Γιατί δεν ανακάλυψαν αμέσως ότι ο νέος αριθμός ήταν υψηλότερος; Είναι κάτι για το οποίο οι επιστήμονες ντρέπονται – μ’ αυτή την ιστορία – επειδή είναι προφανές, ότι οι άνθρωποι έκαναν αυτά τα πράγματα: Όταν πήραν μια τιμή που ήταν πολύ ψηλότερη από αυτή του Μίλικαν, σκέφτηκαν ότι κάτι πρέπει να είναι λάθος – κι έψαχναν κι έβρισκαν έναν λόγο για τον οποίο μπορούσε να είναι λάθος. Όταν πήραν μια τιμή κοντά στην τιμή του Μίλικαν, δεν το κοίταξαν τόσο απαιτητικά. Κι έτσι απάλειψαν τους αριθμούς που ήταν αρκετά μακριά και έκαναν άλλα πράγματα σαν κι αυτά ...»

Από τον Μάιο του 2019, σύμφωνα με το Διεθνές Σύστημα Μονάδων (SI) η τιμή του φορτίου του ηλεκτρονίου είναι 1,602176634×10⁻¹⁹ C.

• Η τελική εργασία (1913) του Μίλικαν από το American Institute of Physics (AIP).

• Η ομιλία του Μίλικαν για την βράβευσή του με το Νόμπελ Φυσικής 1923 (23 Μαΐου 1924).

• Η βιογραφία του Μίλικαν από το AIP.

• Οι αναμνήσεις του Φλέτσερ από την συνεργασία του με τον Μίλικαν.

Ο Μίλικαν (δεξιά) με τους συναδέλφους του Άρθουρ Νόι (Arthur Noyes) και Τζόρτζ Χέιλ (George Hale), από τους πρωτοπόρους του Caltech.
(Από  Περιοδικό Nature Physics)

• Άρθρο του Τζέραλντ Χόλτον (Gerald Holton) από το Journal Storage (JSTOR) για την επιστημονική διαμάχη Έρενχαφτ - Μίλικαν (64 σελ.).

• Άρθρο με αναλυτική παρουσίαση του πειράματος του Μίλικαν από Isabel Bishop, Siyu Xian, και Steve Feller, στο περιοδικό The Physics Teacher.

• Άρθρο των Martin Panusch, Peter Heering και Rajinder Singh για το "Πώς ο Ρόμπερτ Μίλικαν πήρε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής".

• Βιογραφία του Χάρβι Φλέτσερ γραμμένη από τον γιο του Στέφεν Φλέτσερ.

• Το σύνολο των αρχείων του Μίλικαν στο Caltech. 

• Οι χειρόγραφες σημειώσεις (το 2ο από 3 μέρη) του Μίλικαν για το πείραμα της σταγόνας λαδιού από τα Αρχεία του Caltech. 

• Εργασία της Ελένης Παρασκευοπούλου και του Δηµήτρη Κολιόπουλου με θέμα "Η «µάχη για το ηλεκτρόνιο»: η διαµάχη των Millikan-Ehrenhaft και η χρήση της για τη διδασκαλία της Φύσης της Επιστήµης".

Ο Ρόμπερτ Μίλικαν παραλαμβάνει την επιταγή των $40.000 που συνόδευε
 το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής 1923 (1924). Δεξιά φαίνεται η σύζυγός του Γκρέτα Μίλικαν
(Από  wikimedia commons)

• Εργασία του Θόδωρου Αραμπατζή με τίτλο "Σκέψεις για την ιστοριογραφία των επιστημονικών ανακαλύψεων: Η περίπτωση του ηλεκτρονίου".

• Πειραματικός υπολογισμός του φορτίου του ηλεκτρονίου από τον Νικόλαο Κλούρα, Πανεπιστήμιο Πατρών.

• Φυλλάδιο (pdf) από το Πανεπιστήμιο του Λάνκαστερ (Lancaster) για τον πειραματικό υπολογισμό του φορτίου του ηλεκτρονίου.

• Εργαστηριακή συσκευή για το πείραμα του Μίλικαν από την PASCO.

• Προσομοίωση για το πείραμα του Μίλικαν (αγγλικά, 2:02).

 Πηγή: WIKIPEDIA,  ΑΓΓΙΓΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ,  AIP,  APS, Lancaster Lab, ebooks, pubs aip,  upatras,   scienceready,  physics aps,  physics4u,  blogs sch papadakhs,   scholaruoa tarabatz,   skullsinthestars,  umich,  apsnews, Παρασκευοπούλου & Κολιόπουλος,  caltech library,  sciencenet,  jstor,  

scipython,  nap,  researchgate,  Franklin Institute,  The Physics Teacher,  Nature Physics,  pasco,

Cruickshank

3. Τα πειράματα για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου.

Σχέδιο σωλήνα καθοδικών ακτίνων του Τζ. Τζ. Τόμσον.
(Από: Openstax, CC BY 4.0)

Ήταν μια από τις τακτικές απογευματινές ομιλίες της Παρασκευής στις 30 Απριλίου του 1897, όταν ο Βρετανός φυσικός Joseph John Thomson (J. J. Thomson - Τζόζεφ Τζον Τόμσον), Cavendish Professor of Physics (Καθηγητής Φυσικής στο Εργαστήριο Κάβεντις) στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ, ανέβηκε στο βήμα του Royal Institution (Βασιλικό Ίδρυμα) στο Λονδίνο. Εκείνο το απόγευμα ο Τόμσον είχε τη χαρά να ανακοινώσει στο ακροατήριό του την ανακάλυψη ενός νέου σωματίου που ήταν περίπου χίλιες φορές μικρότερο από το άτομο και το οποίο ο ίδιος αποκαλούσε "corpuscle", δηλαδή "μικρό σώμα, σωματίδιο", αλλά αργότερα καθιερώθηκε με το όνομα "ηλεκτρόνιο".

Ο Τόμσον ήταν ένας ταλαντούχος επιστήμονας που είχε τελειώσει το Κολέγιο Trinity (Τρίνιτι) του Κέμπριτζ παίρνοντας πτυχίο στα μαθηματικά. Αμέσως μετά την αποφοίτησή του ξεκίνησε να εργάζεται στο Εργαστήριο Κάβεντις, που ήταν μέρος του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου του Κέμπριτζ. Το 1883, σε ηλικία 27 ετών, έγινε Λέκτορας Πειραματικής Φυσικής στο Εργαστήριο Κάβεντις και την επόμενη χρονιά διαδέχτηκε τον Λόρδο Rayleigh (Ρέιλι) ως Καθηγητής Φυσικής στο Εργαστήριο Κάβεντις. Ο Τζ. Τζ. Τόμσον ήταν ο τρίτος σε σειρά Καθηγητής Φυσικής στο Κάβεντις, με πρώτο βέβαια τον James Clerk Maxwell (Τζέιμς Κλερκ Μάξγουελ), που είχε ιδρύσει το Εργαστήριο το 1874. Το 1884, ο Τόμσον έγινε δεκτός ως μέλος της Royal Society of London (Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου).

Ο J. J. Thomson, (ίσως) λίγο καιρό αφότου πήρε τη θέση
 Καθηγητή Φυσικής στο Εργαστήριο Κάβεντις.
(Από: Φωτογραφικό Αρχείο Εργαστηρίου Κάβεντις)

Στις αρχές της δεκαετίας του 1890, ο Τόμσον επικεντρώθηκε εργαστηριακά στη μελέτη της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στα αέρια, χρησιμοποιώντας καθοδικές λυχνίες. Οι καθοδικές λυχνίες είναι σφραγισμένοι γυάλινοι σωλήνες απ' όπου έχει αφαιρεθεί το μεγαλύτερο μέρος του αέρα, δηλαδή στο εσωτερικό τους υπάρχουν σχεδόν συνθήκες κενού.

Ας δούμε πώς είχε διαμορφωθεί το επιστημονικό περιβάλλον γι’ αυτό το θέμα, εκείνη την εποχή.

Ήταν το 1875 που ο Άγγλος χημικός William Crookes (Ουίλιαμ Κρουκς) δημιούργησε τον γυάλινο σωλήνα που φέρει το όνομά του (σωλήνας Crookes) ερευνώντας την ηλεκτρική αγωγιμότητα σε αραιωμένο αέρα που βρισκόταν σε πολύ χαμηλή πίεση, μέσα σε κλειστό γυάλινο σωλήνα. Ο Κρουκς στο ένα άκρο του σωλήνα,  ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια, εφάρμοζε υψηλή διαφορά δυναμικού (μερικές χιλιάδες βολτ) που προκαλούσε τη ροή μιας δέσμης σωματιδίων από την κάθοδο (το αρνητικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο) προς την άνοδο (το θετικά φορτισμένο ηλεκτρόδιο). Το 1876, αυτή η δέσμη των σωματιδίων ονομάστηκε «καθοδικές ακτίνες» επειδή φαινόταν να προέρχεται από την κάθοδο. Αυτό που έδειχνε την ύπαρξη της ακτινοβολίας ήταν η εμφάνιση ενός περίεργου πρασινωπού φωτός από το εσωτερικό τοίχωμα του γυάλινου σωλήνα, στην περιοχή απέναντι από την κάθοδο. Βέβαια, η δέσμη ήταν αόρατη και μάλιστα είχε διαπιστωθεί ότι διαδιδόταν ευθύγραμμα, όπως το φως, αφού δημιουργείτο σκιά, όταν στην πορεία της δέσμης παρεμβαλόταν κάποιο αδιαφανές σώμα. Ο ίδιος ο Τόμσον περιέγραψε αυτό το κομμάτι της διαδικασίας στην ομιλία του (11 Δεκεμβρίου 1906) με αφορμή την βράβευσή του με το Νόμπελ Φυσικής το 1906: 

Ένας από τους πρώτους καθοδικούς σωλήνες που χρησιμοποίησε ο Τόμσον. Ο σωλήνας κατασκευάστηκε το 1896 από τον Ebenezer Everett (Ε. Έβεριτ), τεχνικό βοηθό του Τόμσον στο Εργαστήριο Κάβεντις. O Έβεριτ ήταν αυτοδίδακτος κατασκευαστής γυάλινων πειραματικών συσκευών. Η ποιότητα του φυσητού γυαλιού που δούλευε ο Έβεριτ ήταν ζωτικής σημασίας για την αποτελεσματικότητα των πειραμάτων του Τόμσον.
(Από: Science Museum στο Λονδίνο)

«Το πρώτο μέρος στο οποίο ανιχνεύθηκαν σωμάτια (corpuscles) ήταν σ’ ένα καλό αερόκενο σωλήνα μέσα στον οποίο δημιουργήθηκε ηλεκτρική εκκένωση. Όταν μια ηλεκτρική εκκένωση δημιουργείται μέσα σ’ έναν αερόκενο σωλήνα, οι πλευρικές επιφάνειες του σωλήνα λάμπουν με ένα ζωηρό πράσινο φωσφορίζον φως. Το ότι αυτό οφείλεται σε κάτι που κινείται σε ευθύγραμμη διάδοση από την κάθοδο – το ηλεκτρόδιο όπου ο αρνητικός ηλεκτρισμός εισέρχεται στο σωλήνα – μπορεί να αποδειχθεί με τον ακόλουθο τρόπο (το πείραμα είναι αυτό που έγινε πριν από πολλά χρόνια από τον Sir William Crookes): Ένας μαλτέζικος σταυρός από λεπτό μαρμαρυγία (σημ. μίκα) τοποθετείται μεταξύ της καθόδου και των τοιχωμάτων του σωλήνα. Όταν η εκκένωση έχει ξεσπάσει, ο πράσινος φωσφορισμός δεν εκτείνεται πλέον σε όλο το απέναντι άκρο του σωλήνα, όπως συνέβαινε όταν ο σταυρός δεν είχε τοποθετηθεί. Τώρα φαίνεται ένας καθαρός σταυρός στην απέναντι πλευρά του σωλήνα που φωσφορίζει. Ο σταυρός από μαρμαρυγία έχει ρίξει την σκιά του και το σχήμα της σκιάς αποδεικνύει ότι ο φωσφορισμός οφείλεται σε κάτι που ταξιδεύει από την κάθοδο σε ευθύγραμμη διάδοση, (κάτι) το οποίο σταματά από την λεπτή πλάκα μαρμαρυγία.

Το προσωπικό του Εργαστηρίου Κάβεντις τον Δεκέμβριο του 1900.
(Όρθιοι, από αρ.) W.H. Mayles, J. Rolph, F. Lincoln, G.A. Bennett.
(Καθιστοί, από αρ.) F.J. Welch, W.G Pye, E. Everett 

Ο πράσινος φωσφορισμός προκαλείται από τις καθοδικές ακτίνες και κάποτε υπήρξε έντονη διαμάχη ως προς τη φύση αυτών των ακτίνων. Τότε επικρατούσαν δύο απόψεις:

• Η μία, η οποία υποστηριζόταν κυρίως από Άγγλους φυσικούς, θεωρούσε ότι οι ακτίνες είναι ηλεκτρισμένα σωμάτια που εκτοξεύονται από την κάθοδο με μεγάλη ταχύτητα και έχουν αρνητικό φορτίο.

• Η άλλη άποψη, την οποία υποστήριζε η μεγάλη πλειοψηφία των Γερμανών φυσικών, πίστευε ότι οι ακτίνες ήταν κάποιο είδος αιθέριας δόνησης ή κύματα.»

Sir William Crookes

Πριν προχωρήσω στην ουσία του σημερινού μας θέματος και με αφορμή την αναφορά του Τόμσον σε «κάποιο είδος αιθέριας δόνησης», θ’ αναφερθώ σύντομα στη «θεωρία του Αιθέρα (Aether)».

Ήδη από την αρχαιότητα (Αριστοτέλης, Πυθαγόρας και όχι μόνο από Έλληνες φιλοσόφους) πιστευόταν ότι το σύμπαν ήταν γεμάτο από ένα υλικό αόρατο, που τουλάχιστον από τους Έλληνες ονομαζόταν «Αιθήρ». Πολύ αργότερα, τον 17^ο μέχρι τα τέλη του 19^ου αιώνα, πολλοί επιστήμονες (Χόιχενς, Καρτέσιος, Νεύτωνας, Φαραντέι, Μάξγουελ, Τέσλα κλπ) υποστήριζαν την ύπαρξη του αιθέρα (με διάφορες μορφές) προκειμένου να στηρίξουν τις επιστημονικές τους απόψεις. Γενικά, ο “αιθέρας” θεωρείτο σαν  αόρατο ρευστό με ελαστικές ιδιότητες που λειτουργούσε ως υπόστρωμα για το φως και άλλα ηλεκτρικά φαινόμενα

Το 1887, οι φυσικοί Albert Michelson (Άλμπερτ Μάικελσον) και Edward Morley (Έντουαρτ Μόρλεϊ), πραγματοποίησαν ένα πείραμα για να μετρήσουν την ταχύτητα της Γης σε σχέση με την ταχύτητα του “αιθέρα”. Το πείραμα απέδειξε πως ο “αιθέρας” ήταν ανύπαρκτος, παρά το γεγονός ότι αποσκοπούσε στην επιβεβαίωση της ύπαρξης του “αιθέρα”! Οι δύο επιστήμονες ανακάλυψαν πως η ταχύτητα του φωτός ήταν πάντα η ίδια, προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.

Ο Τόμσον, σε διάλεξη που δίνει στο Εργαστήριο Κάβεντις, επιδεικνύει 
το σωλήνα καθοδικών ακτίνων Braun (Μπράουν). Αυτή η έκδοση του
καθοδικού σωλήνα κατασκευάστηκε από τον Γερμανό φυσικό Ferdinand Braun
(Φέρτιναντ Μπράουν) το 1897 και δόθηκε από τον Μπράουν στον Τόμσον. 
(Από: Φωτογραφικό Αρχείο Εργαστηρίου Κάβεντις)

Θα μπορούσαμε να ισχυριστούμε ότι, το 1905, ο Άλμπερτ Αϊνστάιν με την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας οριστικοποίησε την μη ύπαρξη του “αιθέρα” ως υλικού που στήριζε τη διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, αφού αυτά μπορούν να διαδοθούν και στο κενό.

Έτσι, φτάνουμε στο σημείο να δούμε πώς ο Τόμσον κατάφερε να αποδείξει πειραματικά τη φύση των καθοδικών ακτίνων και τελικά την ύπαρξη του υποατομικού σωματιδίου με το όνομα «ηλεκτρόνιο».

Ο Τόμσον κατέληξε σ' αυτό το συμπέρασμα μέσα από τρία πειράματα που έκανε.

Jean Baptiste Perrin

Το πρώτο ήταν παραλλαγή ενός πειράματος που είχε κάνει ο Γάλλος φυσικός Jean Perrin (Ζαν Περέν) το 1895. Ο Περέν είχε καταλήξει στο συμπέρασμα ότι οι καθοδικές ακτίνες έφεραν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο.

Ο Τόμσον ήθελε να δει αν, κάμπτοντας (εκτρέποντας) τις ακτίνες με μαγνήτη, μπορούσε να διαχωρίσει το φορτίο από τις ακτίνες. Διαπίστωσε ότι όταν οι ακτίνες περνούσαν μέσα από μια ειδική σχισμή που είχε φτιάξει στο εσωτερικό του γυάλινου 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” (είχαν καμφθεί) και γι' αυτό δεν περνούσαν από την σχισμή. Το πιο σημαντικό για τον Τόμσον ήταν ότι: δεν μπορούσε να διαχωριστεί το ηλεκτρικό φορτίο από τις ακτίνες.   

Η πρώτη σελίδα της εργασίας του Τόμσον, όπως δημοσιεύτηκε 
στο επιστημονικό περιοδικό Philosophical Magazine. 

Ας δούμε πώς περιγράφει το πρώτο πείραμα που έστησε, ο ίδιος ο Τόμσον, μέσα από το κείμενο της εργασίας που δημοσίευσε τον Οκτώβριο του 1897 στο επιστημονικό περιοδικό Philosophical Magazine (τόμος 44, σελ. 293-316). Νομίζω, ότι αξίζει να αναφέρω την τελευταία πρόταση αυτής της εργασίας: "Έχω τη μεγάλη χαρά να ευχαριστήσω τον κ. Έβεριτ για τη βοήθεια που μου έδωσε στην προηγούμενη έρευνα". Ο κ. Έβεριτ ήταν και το δεξί, αλλά και το αριστερό χέρι του Τόμσον στην κατασκευή των γυάλινων συσκευών, αφού ήταν γνωστό ότι ο ίδιος ο Τόμσον ήταν μάλλον αδέξιος με τα χέρια του!  

«Εάν οι ακτίνες είναι αρνητικά ηλεκτρισμένα σωματίδια, τότε όταν εισέρχονται σ’ ένα κλειστό χώρο θα πρέπει να μεταφέρουν σε αυτό ένα φορτίο αρνητικού ηλεκτρισμού. Αυτό έχει αποδειχθεί από τον Περέν, ο οποίος τοποθέτησε μπροστά από μια επίπεδη κάθοδο δύο ομοαξονικούς μεταλλικούς κυλίνδρους που ήταν μονωμένοι μεταξύ τους: ο εξωτερικός από αυτούς τους κυλίνδρους συνδεόταν με τη γη, ο εσωτερικός μ’ ένα ηλεκτροσκόπιο φύλλων χρυσού. Αυτοί οι κύλινδροι ήταν κλειστοί εκτός από δύο μικρές οπές, μία σε κάθε κύλινδρο, τοποθετημένες έτσι ώστε οι καθοδικές ακτίνες να μπορούν να περάσουν μέσα από αυτές στο εσωτερικό του εσωτερικού κυλίνδρου. Ο Περέν διαπίστωσε ότι όταν οι ακτίνες περνούσαν στον εσωτερικό κύλινδρο, το ηλεκτροσκόπιο δεχόταν φορτίο αρνητικού ηλεκτρισμού, ενώ κανένα φορτίο δεν πήγαινε στο ηλεκτροσκόπιο, όταν οι ακτίνες εκτρέπονταν από έναν μαγνήτη, έτσι ώστε να μην περνούν πλέον μέσα από την οπή. Αυτό το πείραμα αποδεικνύει ότι κάτι που είναι φορτισμένο με αρνητικό ηλεκτρισμό κι εκτοξεύεται από την κάθοδο ταξιδεύοντας κάθετα προς αυτήν, μπορεί να εκτρέπεται από έναν μαγνήτη.

Εικ. 1. Σχέδιο της συσκευής που χρησιμοποιήθηκε στο πρώτο πείραμα του Τόμσον.
Οι καθοδικές ακτίνες περνούν από το σωλήνα πάνω αριστερά στον μεγαλύτερο λαμπτήρα, όπου εκτρέπονται από μαγνητικό πεδίο. Όταν κάμπτονται έτσι ώστε να εισέρχονται από τις σχισμές στους κυλίνδρους, το ηλεκτρόμετρο μετρά το φορτίο που μεταφέρεται στον κύλινδρο.
(Από: J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, Οκτώβριος 1897, σελ. 295)

Είναι φανερό και δεν μπορούμε να αρνηθούμε ότι η αιτία της ηλεκτρικής φόρτισης του ηλεκτροσκόπιου έχει οπωσδήποτε σχέση με τις καθοδικές ακτίνες. Οι υποστηρικτές της αιθερικής θεωρίας δεν αρνούνται ότι τα ηλεκτρισμένα σωματίδια εκτοξεύονται από την κάθοδο. Ωστόσο, (ισχυρίζονται) ότι αυτά τα φορτισμένα σωματίδια έχουν τόση σχέση με τις καθοδικές ακτίνες, όσο  σχέση έχει μια σφαίρα που φεύγει από ένα τουφέκι, με τη λάμψη που βλέπουμε στο τουφέκι.

Γι' αυτό επανέλαβα το πείραμα του Περέν μ’ ένα τρόπο που δεν επιδέχεται αυτή την αντίρρηση. Η διάταξη που χρησιμοποιήθηκε ήταν η παρακάτω:

Δύο ομοαξονικοί κύλινδροι (εικ. 1) με σχισμές τοποθετούνται σε λαμπτήρα συνδεδεμένο με το σωλήνα εκκένωσης. Οι καθοδικές ακτίνες από την κάθοδο Α περνούν μέσα στη λάμπα μέσω σχισμής (που υπάρχει) σε μεταλλικό βύσμα που είναι τοποθετημένο στο λαιμό του σωλήνα. Αυτό το βύσμα συνδέεται με την άνοδο και γειώνεται. Έτσι, οι καθοδικές ακτίνες δεν πέφτουν πάνω στους κυλίνδρους, εκτός εάν εκτρέπονται από ένα μαγνήτη. Ο εξωτερικός κύλινδρος συνδέεται με τη γη και ο εσωτερικός με το ηλεκτρόμετρο. Όταν οι καθοδικές ακτίνες (των οποίων η διαδρομή εντοπιζόταν από το φωσφορισμό στο γυαλί) δεν έπεφταν στη σχισμή, το ηλεκτρικό φορτίο στο ηλεκτρόμετρο ήταν μικρό και ασταθές. Όταν, όμως, οι ακτίνες κάμπτονταν από έναν μαγνήτη για να πέσουν πάνω στη σχισμή, το ηλεκτρόμετρο έδειχνε ένα μεγάλο φορτίο αρνητικού ηλεκτρισμού. Εξεπλάγην από το μέγεθος του φορτίου. Σε ορισμένες περιπτώσεις, πέρασε τόσο αρνητικό φορτίο από τη στενή σχισμή στον εσωτερικό κύλινδρο, που ήταν ικανό να αυξήσει το δυναμικό σε έναν πυκνωτή 1,5 μF (μικροφαράντ), κατά 20 V (βολτ) στο δευτερόλεπτο.

Φωτογραφία του αρχικού κτιρίου του Εργαστηρίου Κάβεντις στο Κέμπριτζ.
Το κτίριο σχεδιάστηκε από τον James Clerk Maxwell και κτίστηκε  το 1874.
Ο Maxwell ήταν ο πρώτος Διευθυντής του Εργαστηρίου.
(Από: Εφημερίδα The Guardian)

Εάν οι ακτίνες κάμπτονταν τόσο πολύ από το μαγνήτη ώστε να μη πέφτουν στις σχισμές του κυλίνδρου, το φορτίο που περνούσε μέσα στον κύλινδρο μίκραινε και πάλι σε ένα πολύ μικρό κλάσμα της τιμής που ανάφερα πριν. Έτσι, αυτό το πείραμα δείχνει ότι όπως και αν περιστρέφουμε και εκτρέπουμε τις καθοδικές ακτίνες με μαγνητικές δυνάμεις, το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο ακολουθεί την ίδια πορεία με τις ακτίνες και ότι αυτό το αρνητικό φορτίο είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με τις καθοδικές ακτίνες. Όταν οι ακτίνες κάμπτονται από τον μαγνήτη έτσι ώστε να περάσουν μέσα από τη σχισμή στον εσωτερικό κύλινδρο, η ένδειξη του ηλεκτρόμετρου, που συνδέεται με αυτόν τον κύλινδρο, αυξάνεται μέχρι μια ορισμένη τιμή και στη συνέχεια παραμένει στάσιμη, έστω κι αν οι ακτίνες συνεχίζουν να εισέρχονται στον κύλινδρο.

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το αέριο στον λαμπτήρα γίνεται αγωγός του ηλεκτρισμού όταν οι καθοδικές ακτίνες περνούν μέσα από αυτόν κι έτσι, αν και το εσωτερικό του κυλίνδρου είναι τέλειος μονωτής όταν οι ακτίνες δεν περνούν, μόλις οι ακτίνες περάσουν μέσα από τον λαμπτήρα, ο αέρας μεταξύ του εσωτερικού κυλίνδρου και του εξωτερικού γίνεται αγωγός και το ηλεκτρικό φορτίο διαφεύγει από τον εσωτερικό κύλινδρο στη γη. Έτσι, το φορτίο μέσα στον εσωτερικό κύλινδρο δεν αυξάνεται συνεχώς. Ο κύλινδρος φτάνει σε μια κατάσταση ισορροπίας στην οποία ο ρυθμός με τον οποίο αποκτά αρνητικό ηλεκτρισμό από τις ακτίνες είναι ίσος με τον ρυθμό με τον οποίο τον χάνει με αγωγιμότητα μέσω του αέρα. Εάν ο εσωτερικός κύλινδρος έχει αρχικά θετικό φορτίο, γρήγορα χάνει αυτό το φορτίο και αποκτά αρνητικό.»

Το νέο Εργαστήριο Κάβεντις, όπως είναι σήμερα.

Το δεύτερο πείραμα που έστησε ο Τόμσον το έκανε για να μπορέσει να δώσει πειστική απάντηση σε όσους (οπαδούς του “αιθέρα”) υποστήριζαν την άποψη ότι εφόσον οι καθοδικές ακτίνες είναι σωματίδια με αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο, θα έπρεπε να είχε παρατηρηθεί εκτροπή των ακτίνων από την επίδραση μια μικρής ηλεκτροστατικής δύναμης. Βέβαια, είχε παρατηρηθεί εκτροπή των ακτίνων όταν αυτές περνούσαν κοντά σε ηλεκτρόδια που ήταν συνδεδεμένα με πηγές μεγάλων διαφορών δυναμικού, όπως επαγωγικά πηνία ή ηλεκτρικές μηχανές, αλλά οι υποστηρικτές της αιθερικής θεωρίας ισχυρίζονταν ότι αυτό οφειλόταν στην εκκένωση που δημιουργείται μεταξύ των ηλεκτροδίων και όχι στο ηλεκτροστατικό πεδίο που δημιουργείτο.

Την άποψη των “αιθεριστών” ενίσχυε το αποτέλεσμα στο οποίο είχε καταλήξει ο Heinrich Hertz (Χάινριχ Χερτζ) πειραματιζόμενος με καθοδικές ακτίνες, έρευνα που είχε ξεκινήσει από το 1892. Συγκεκριμένα, ο Χερτζ δημιούργησε καθοδικές ακτίνες που τις οδήγησε να κινηθούν στο χώρο ανάμεσα σε δύο παράλληλες μεταλλικές πλάκες που ήταν τοποθετημένες μέσα σε σωλήνα εκκένωσης. Όταν οι πλάκες συνδέθηκαν με μια μπαταρία (διαφορά δυναμικού) διαπιστώθηκε ότι οι ακτίνες δεν εκτρέπονταν.

Εικ. 2. Σχέδιο της συσκευής που χρησιμοποιήθηκε στο δεύτερο πείραμα του Τόμσον.
Οι ακτίνες από την κάθοδο (C) περνούν μέσα από μια σχισμή προς την άνοδο (A) και στη συνέχεια περνούν μέσα από μια σχισμή στο γειωμένο μεταλλικό βύσμα (B). Η δέσμη περνά ανάμεσα από τις πλάκες αλουμινίου (D και E), μεταξύ των οποίων εφαρμόζεται  διαφορά δυναμικού. Τελικά, η δέσμη των ακτίνων πέφτει στην άλλη άκρη του σωλήνα, όπου στο εξωτερικό μέρος υπάρχει κολλημένη μια κλίμακα για μέτρηση της εκτροπής των ακτίνων.
(Από: J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, Οκτώβριος 1897, σελ. 296)

Πάνω σ’ αυτό, ο Τόμσον θεώρησε ότι η έστω μικρή ποσότητα αερίου που παρέμενε στο σωλήνα μετατρεπόταν σε ηλεκτρικό αγωγό από τις ίδιες τις καθοδικές ακτίνες. Γι' αυτό, σκέφτηκε μήπως το πρόβλημα στο πείραμα του Χερτζ δημιουργείτο επειδή το κενό που πετύχαινε στον αερόκενο σωλήνα δεν ήταν αρκετό. Έτσι, έστησε το δεύτερο πείραμα προσπαθώντας να πετύχει όσο γινόταν καλύτερες συνθήκες κενού. Ήταν κάτι πολύ δύσκολο, αλλά το αποτέλεσμα τον δικαίωσε: διαπίστωσε ότι οι καθοδικές ακτίνες εκτρέπονταν από την εφαρμογή ηλεκτρικού πεδίου.

Ας παρακολουθήσουμε πάλι τα γεγονότα γραμμένα από το δικό του χέρι (από την δημοσιευμένη εργασία του).

«Η συσκευή που χρησιμοποιήθηκε απεικονίζεται στην εικ. 2. Οι ακτίνες από την κάθοδο C κινούνται μέσα από μια σχισμή προς την άνοδο Α, που είναι ένα μεταλλικό βύσμα που προσαρμόζεται σφιχτά στο σωλήνα και είναι γειωμένο. Μετά, αφού περάσουν μέσα από μια δεύτερη σχισμή που βρίσκεται σ’ ένα άλλο γειωμένο μεταλλικό βύσμα Β, ταξιδεύουν μεταξύ δύο παράλληλων πλακών αλουμινίου που απέχουν απόσταση 1,5 εκ., έχουν μήκος  περίπου 5 εκ. και πλάτος 2 εκ. Στη συνέχεια φτάνουν στο τέλος του σωλήνα και παράγουν μία καθαρή, στενή φωσφορίζουσα ταινία. Μια κλίμακα κολλημένη στο εξωτερικό του σωλήνα χρησιμεύει για την μέτρηση της απόκλισης της δέσμης.

Η καθιερωμένη ετήσια φωτογραφία του προσωπικού του Εργαστηρίου Κάβεντις με τους 
φοιτητές που συμμετείχαν στις έρευνες του Εργαστηρίου, το 1897.
Ο καθηγητής Τζ. Τζ. Τόμσον διακρίνεται στο μέσον της πρώτης σειράς.
Το 1895, το Πανεπιστήμιο επέτρεψε σε φοιτητές από άλλα πανεπιστήμια να γίνουν φοιτητές
στο Κέμπριτζ για πτυχίο BA μέσω έρευνας. Ο Rutherford από τη Νέα Ζηλανδία (καθιστός, πρώτος δεξιά) και ο Townsend (δίπλα του) από το Δουβλίνο ήταν οι πρώτοι που εκμεταλεύτηκαν αυτή την ευκαιρία. Όρθιος, δεύτερος από αριστερά, φαίνεται ο C.T.R. Wilson μετέπειτα εφευρέτης του ομώνυμου θαλάμου φυσσαλίδων.
(Από: Φωτογραφικό Αρχείο Εργαστηρίου Κάβεντις)

Όταν υπήρχε υψηλό κενό στο σωλήνα και οι δύο πλάκες αλουμινίου συνδέονταν με τους ακροδέκτες μιας μπαταρίας, τότε οι ακτίνες εκτρέπονταν. Όταν η πάνω πλάκα συνδεόταν με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας και η κάτω με τον θετικό οι ακτίνες μειώνονταν, ενώ αυξάνονταν όταν η πάνω πλάκα συνδεόταν με το θετικό και η κάτω με τον αρνητικό πόλο. Η εκτροπή ήταν ανάλογη με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των πλακών και μπορούσα να ανιχνεύσω την κάμψη όταν η διαφορά δυναμικού ήταν τουλάχιστον 2 V (βολτ). Για να συμβεί αυτό (σημ. δηλαδή, εκτροπή των καθοδικών ακτίνων) έπρεπε το κενό στο σωλήνα να είναι εξαιρετικά καλό.»

Από τα δύο πειράματα ο Τόμσον 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, μόρια, ή ύλη σε ακόμα λεπτότερη κατάσταση υποδιαίρεσης;».

Εικ. 3. Σχέδιο μιας από τις συσκευές που χρησιμοποιήθηκε στο τρίτο πείραμα του Τόμσον.
Οι ακτίνες προέρχονται από την κάθοδο (-) που βρίσκεται αριστερά. Αφού περάσουν από μια σχισμή της ανόδου (+), εισέρχονται σε γυάλινη φιάλη σχήματος κώδωνα (bell jar) που περιέχει αέριο σε χαμηλή πίεση. Οι εκτρεπόμενες διαδρομές των ακτίνων αποτυπώνονται φωτογραφικά σε μια γυάλινη πλάκα.
(Από: J.J. Thomson, "Cathode Rays," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, Fifth Series, Οκτώβριος 1897, σελ. 298)

Με το τρίτο πείραμα (εικ. 3) ο Τόμσον προσπάθησε να καθορίσει τις βασικές ιδιότητες των σωματιδίων. Ήταν ένα λαμπρό κομμάτι επιστημονικής σύλληψης και δείχνει πώς μια σειρά πειραμάτων μπορεί σταδιακά να αποκαλύψει αλήθειες. Ας δούμε πώς περιγράφει ο ίδιος ο Τόμσον στη δημοσιευμένη εργασία του, τις πρώτες παρατηρήσεις του. 

«Η κάμψη των καθοδικών ακτίνων από το μαγνητικό πεδίο μελετήθηκε με τη βοήθεια της συσκευής που φαίνεται στην εικ. 3. Η κάθοδος τοποθετήθηκε σε πλευρικό σωλήνα στερεωμένο σ’ ένα γυάλινο σωλήνα με σχήμα κώδωνα (καμπάνα). Το άνοιγμα μεταξύ αυτού του σωλήνα και του κώδωνα έκλεινε με μεταλλικό βύσμα που είχε σχισμή. Αυτό το βύσμα γειώθηκε και χρησιμοποιήθηκε ως άνοδος.

Οι καθοδικές ακτίνες αφού είχαν περάσει μέσα στον κώδωνα από τη σχισμή που υπήρχε στο βύσμα, διέρχονταν μπροστά από μια κατακόρυφη πλάκα γυαλιού που αποτελείτο από μικρά τετράγωνα κομμάτια. Ο κώδωνας τοποθετήθηκε ανάμεσα σε δύο μεγάλα παράλληλα πηνία που λειτουργούσαν ως γαλβανόμετρο Helmholtz. Η πορεία των ακτίνων προσδιοριζόταν με τη λήψη φωτογραφιών του κώδωνα όταν οι καθοδικές ακτίνες περνούσαν μέσα από αυτόν. Τα τετράγωνα κομμάτια της γυάλινης πλάκας επέτρεπαν τον προσδιορισμό της διαδρομής των ακτίνων.

Η συσκευή που χρησιμοποίησε ο Τόμσον για να μετρήσει το λόγ m/e (μάζα προς φορτίο ηλεκτρονίου).
Κατασκευάστηκε από τον Έβεριτ με την καθοδήγηση του Τόμσον. 
(Από: Φωτογραφικό Αρχείο Εργαστηρίου Κάβεντις)

Κάτω από τη δράση του μαγνητικού πεδίου, η στενή δέσμη των καθοδικών ακτίνων απλώνεται αποκτώντας μια πλατιά φωτεινότητα στο αέριο. Η φωτεινότητα σε αυτή την συσκευή δεν κατανέμεται ομοιόμορφα, αλλά συμπυκνώνεται κατά μήκος ορισμένων γραμμών. Ο φωσφορισμός στο γυαλί δεν κατανέμεται επίσης ομοιόμορφα. Είναι πολύ απλωμένος, δείχνοντας ότι η δέσμη αποτελείται από ακτίνες που δεν εκτρέπονται όλες στον ίδιο βαθμό από τον μαγνήτη. Αυτές οι φωτεινές και σκοτεινές ζώνες ονομάζονται από τον Birkeland (σημ. Kristian Birkeland - Κρίστιαν Μπίρκλαντ, Νορβηγός φυσικός), ο οποίος τις παρατήρησε για πρώτη φορά, μαγνητικό φάσμα. .....

Ένα πολύ ενδιαφέρον σημείο που φαίνεται από τις φωτογραφίες είναι ότι μ’ ένα δεδομένο μαγνητικό πεδίο και με μια δεδομένη μέση διαφορά δυναμικού μεταξύ των ακροδεκτών, η πορεία των ακτίνων είναι ανεξάρτητη από τη φύση του αερίου. Ελήφθησαν φωτογραφίες με εκκένωση σε υδρογόνο, αέρα, ανθρακικό οξύ, ιωδιούχο μεθύλιο, δηλαδή σε αέρια των οποίων οι πυκνότητες κυμαίνονται από 1 έως 70, και όμως, όχι μόνο οι διαδρομές των πιο εκτρεπόμενων ακτίνων ήταν οι ίδιες σε όλες τις περιπτώσεις, αλλά ακόμη και οι λεπτομέρειες, όπως η κατανομή των φωτεινών και σκοτεινών χώρων, ήταν οι ίδιες. Στην πραγματικότητα, οι φωτογραφίες δύσκολα μπορούσαν να διακριθούν μεταξύ τους.

Πρέπει να σημειωθεί ότι οι πιέσεις δεν ήταν οι ίδιες. Οι πιέσεις στα διάφορα αέρια ρυθμίστηκαν έτσι ώστε οι μέσες διαφορές δυναμικού μεταξύ της καθόδου και της ανόδου να είναι οι ίδιες σε όλα τα αέρια..... Στα πειράματα με διαφορετικά αέρια, οι πιέσεις ήταν τόσο υψηλές όσο χρειαζόταν για να εμφανιστεί ο φωσφορισμός στο γυαλί, έτσι ώστε να υπάρχει η όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ποσότητα του υπό εξέταση αερίου στο σωλήνα.»

Σωλήνας Κρουκς με σταυρό στο εσωτερικό του.
Παρατηρούμε ότι η ευθύγραμμη διάδοση των καθοδικών ακτίνων
δημιουργεί την σκιά του σταυρού στη μια πλευρά του σωλήνα.
(Από: College Sidekick)

Αν και δεν μπορούσε ο Τόμσον να μετρήσει άμεσα τη μάζα ή το ηλεκτρικό φορτίο ενός σωματιδίου των ακτίνων (εκείνη την εποχή), μπορούσε να μετρήσει πόσο οι καθοδικές ακτίνες εκτρέπονταν από ένα μαγνητικό πεδίο και πόση ενέργεια μετέφεραν. Από αυτά τα δεδομένα θα μπορούσε να υπολογίσει το λόγο m/e της μάζας (m) ενός σωματιδίου προς το ηλεκτρικό του φορτίο (e), αλλά και την ταχύτητα του σωματιδίου. (Αργότερα, στη θέση του λόγου m/e χρησιμοποιήθηκε ο αντίστροφος λόγος e/m.) 

Πειραματιζόμενος μ' αυτό το στόχο, συνέλεξε δεδομένα χρησιμοποιώντας μια μεγάλη ποικιλία αερόκενων σωλήνων και χρησιμοποιώντας διαφορετικά αέρια στο εσωτερικό τους. 

Π.χ. από μια σειρά μετρήσεων με διαφορετικά αέρια στο σωλήνα έβγαιναν τα παρακάτω αποτελέσματα (μέσοι όροι) για τον λόγο m/e:

1^ος σωλήνας

Με αέρα:  0.40x10^-7,   με υδρογόνο:  0.42x10^-7,   με ανθρακικό οξύ:  0.40x10^-7.

2^ος σωλήνας

Με αέρα:  0.52x10^-7,   με υδρογόνο:  0.50x10^-7,   με ανθρακικό οξύ:  0.54x10^-7.

Όπως φαίνεται από τις παραπάνω (ενδεικτικές) τιμές, η τιμή του m/e είναι ανεξάρτητη από τη φύση του αερίου που περιέχεται στο σωλήνα.

Η φωτογραφία δείχνει χειρόγραφο προσχέδιο της δημοσιευμένης το 1897
εργασίας του Τόμσον. Η γραφή δεν είναι του Τόμσον, αλλά οι σημειώσεις
προστέθηκαν από αυτόν.
(Από: Φωτογραφικό Αρχείο Εργαστηρίου Κάβεντις)

Επίσης, χρησιμοποίησε διαφορετικά μέταλλα ως υλικά των ηλεκτροδίων (αλουμίνιο, σίδηρο) και διαπίστωσε ότι ναι μεν άλλαξε η εμφάνιση της εκκένωσης και η τιμή της ταχύτητας στην ίδια πίεση, όμως οι ιδιότητες των καθοδικών ακτίνων παρέμεναν σταθερές, ανεξάρτητα από το υλικό καθόδου από το οποίο προέρχονταν.

Τα αποτελέσματα ήταν πραγματικά εκπληκτικά. Ακριβώς όπως Εmil Wiechert (Έμιλ Βίσερτ) είχε αναφέρει από τον Ιανουάριο του 1897, 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 (Φίλιπ Λένερντ). 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 και επιβεβαίωσαν το παραπάνω αξιοσημείωτο συμπέρασμα. Να σημειώσω ότι ο Λένερντ μαζί με τον Hermann von Helmholtz (Χέρμαν φον Χέλμχολτ) ονόμαζαν τα σωματίδια των καθοδικών ακτίνων quanta of electricity (κβάντα ηλεκτρισμού).

Σπάνια προσωπική πρόσκληση για το Royal Institution, στην ιστορική διάλεξη του Τόμσον, 
στις 30 Απριλίου 1897. Η πρόσκληση προοριζόταν για τον Sir Frederick Bramwell, 
 εξέχοντα πολιτικό μηχανικό και μηχανολόγο, μέλος της Royal Society. 
(Από: getty images)

Μετά από αυτά, ο Τόμσον 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."

Μετά τα πειράματα που έκανε ο Τόμσον το 1897, συνόψισε τα συμπεράσματά του για τις καθοδικές ακτίνες σε τρεις εικασίες:

• Οι καθοδικές ακτίνες αποτελούνται από σωματίδια (τα ονόμασε "corpuscles") που είναι φορτισμένα αρνητικά.

• Αυτά τα σωματίδια πρέπει να αποτελούν συστατικά του ατόμου, αφού η μάζα κάθε σωματιδίου είναι μόλις το 1/2000  (περίπου) της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου. Αυτά τα υποατομικά σωματίδια μπορούν να βρεθούν μέσα στα άτομα όλων των στοιχείων.

•  Αυτά τα σωματίδια είναι τα μοναδικά συστατικά του ατόμου.

Βίντεο που δείχνει τη λειτουργία ενός σωλήνα καθοδικών ακτίνων. 

(Από: Κανάλι στο youtube BRANDOXOXO)

Όπως είναι φανερό, οι εικασίες του Τόμσον αντιμετωπίστηκαν με αρκετό σκεπτικισμό. Η δεύτερη και η τρίτη εικασία ήταν ιδιαίτερα αμφιλεγόμενες (η τρίτη αποδείχθηκε λανθασμένη). Χρόνια αργότερα θυμόταν ο Τόμσον: «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 (σημ. αγγλική έκφραση "I had been pulling their legs")».

Μιλώντας για την δυσκολία ανίχνευσης αυτών των σωματιδίων λόγω του μικρού τους μεγέθους, είχε πει αργότερα ο Τόμσον: «Θα μπορούσε, εκ πρώτης όψεως, κάτι  να φαίνεται περισσότερο δύσκολο (σημ. για να εντοπιστεί), από ένα σώμα που είναι τόσο μικρό, ώστε η μάζα του να είναι ένα ασήμαντο κλάσμα της μάζας ενός ατόμου υδρογόνου; Το ίδιο (σημ. το σωματίδιο) είναι τόσο μικρό που ένα πλήθος από αυτά ίσα σε αριθμό με τον πληθυσμό ολόκληρου του κόσμου θα ήταν πολύ μικρό για να ανιχνευθεί με οποιοδήποτε γνωστό επιστημονικό τρόπο εκείνης της εποχής."

Η λέξη "electron" ("ηλεκτρόνιο") που επινόησε ο George Johnstone Stoney (Τζορτζ Τζόνστον Στόνι) 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. Με αυτή την έννοια ο όρος χρησιμοποιήθηκε από τον Joseph Larmor (Τζόζεφ Λάρμορ), συμφοιτητή του Τόμσον στο Κέμπριτζ. Ο  Λάρμορ επινόησε μια θεωρία για το ηλεκτρόνιο σύμφωνα με την οποία αποτελούσε δομικό στοιχείο του "αιθέρα". Όμως η θεωρία του Λάρμορ δεν περιέγραφε το ηλεκτρόνιο ως μέρος του ατόμου.

Φοιτητές του καθηγητή Edward John Routh στο Πανεπιστήμιο του Κέμπριτζ το 1879.
Ο Τόμσον στέκεται όρθιος στο μέσο της πόρτας.
Όρθιος, στο αριστερό άκρο, στέκεται ο συμφοιτητής του Τζόζεφ Λάρμορ. 
(Από: History-American Institute of Physics)

Το 1897 ο Ιρλανδός φυσικός George Francis Fitzgerald (Τζορτζ Φράνσις Φιτζέραλντ), ανηψιός του Στόνι, πρότεινε την άποψη ότι τα  corpuscles του Τόμσον ήταν πραγματικά "ελεύθερα ηλεκτρόνια", έχοντας κατά νου το είδος του "ηλεκτρονίου" που περιγραφόταν από τη θεωρία του Λάρμορ και διαφωνώντας στην πραγματικότητα με τις εικασίες του Τόμσον.

Σταδιακά οι επιστήμονες δέχτηκαν την πρώτη και τη δεύτερη εικασία του Τόμσον, αν και με κάποιες λεπτές αλλαγές στο νόημά τους. Τα πειράματα του Τόμσον, του Λένερντ 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.

Όμως, το σίγουρο πλέον ήταν ότι η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου διέψευδε το τμήμα της ατομικής θεωρίας του John Dalton (Τζον Ντάλτον) που υπέθετε ότι τα άτομα ήταν αδιαίρετα. 

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

Στον απόηχο της εργασίας του Τόμσον το 1897, οι θεωρίες για το άτομο πολλαπλασιάστηκαν. Το ερώτημα που μπήκε ήταν: αν ο Τόμσον είχε βρει το ενιαίο δομικό συστατικό όλων των ατόμων, πώς θα μπορούσαν να δομούνται τα άτομα από τα corpuscles και τελικά ποια θα μπορούσε να είναι η δομή του ατόμου; Προκειμένου να εξηγηθεί η ύπαρξη των ηλεκτρονίων, χρειαζόταν ένα εντελώς νέο ατομικό μοντέλο. Όμως τα ατομικά μοντέλα που προτάθηκαν, ήδη από τις αρχές του 20^ου αιώνα, μπορεί να αποτελέσει το θέμα κάποιας επόμενης ανάρτησης.

Στα χρόνια που ακολούθησαν την διάλεξη του Τόμσον το 1897, μια μεγάλη ποικιλία αερόκενων σωλήνων σαν αυτό του Κρουκς γέμισαν τα εργαστήρια και τις αίθουσες διαλέξεων. Εμφανίστηκαν οι σωλήνες Brown, οι σωλήνες Geissler, οι σωλήνες Plücker (αερόκενοι σωλήνες που χρησιμοποιούνταν στην φασματοσκοπία), οι σωλήνες Hittorf (αερόκενοι σωλήνες που πήραν το όνομά τους από τον κατασκευαστή τους Johann Wilhelm Hittorf), σωλήνες που χρησιμοποιήθηκαν για να δείξουν τα πολύχρωμα αποτελέσματα μιας ηλεκτρικής εκκένωσης σε μία αερόκενη λυχνία, χωρίς πάντοτε σαφείς πρακτικές εφαρμογές.

Το εξώφυλλο του βιβλίου 
"J.J. Thmson and the Discovery of the Electron"
"Ο Τζ. Τζ. Τόμσον και η Ανακάλυψη του Ηλεκτρονίου"
των E.A. Davis και I.J. Falconer.
Εκδόσεις: CRC Press, 1η έκδοση: Ιούνιος 1997, σελ. 272. 

Το 1906, ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον πήρε το Βραβείο Νόμπελ Φυσικής "ως αναγνώριση για τη συμβολή του στις θεωρητικές και πειραματικές εργασίες επί της ηλεκτρικής αγωγιμότητας των αερίων". Tο 1908 έλαβε τον τίτλο του Sir.

• Η εργασία (pdf) του Τζ. Τζ. Τόμσον στο περιοδικό Philosophical Magazine με τίτλο "Cathode Rays" ("Καθοδικές Ακτίνες"). Στάλθηκε στο περιοδικό στις 7 Αυγούστου 1897 και δημοσιεύτηκε τον Οκτώβριο 1897.

• Βίντεο με τον Τζ. Τζ. Τόμσον να μιλά για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου. Το φιλμ γυρίστηκε από το  Institution of Electrical Engineers, στις 18 Οκτωβρίου 1934 (αγγλ., 6:52).

• H ομιλία (pdf) του Τζ. Τζ. Τόμσον με τίτλο "Carriers of negative electricity" ("Φορείς αρνητικής ηλεκτρικής ενέργειας") για την βράβευσή του με το Νόμπελ Φυσικής 1906 (11 Δεκεμβρίου 1906).

• Η "Ιστορία του Εργαστηρίου Κάβεντις".

• Βίντεο παρουσίασης καθοδικού σωλήνα με παραγωγή καθοδικών ακτίνων και αναλυτική ερμηνεία, από το κανάλι "Physics Experiments Lab Phys-EL" (ελληνικά, 10:02).

Καθοδικός σωλήνας και δέσμη καθοδικών ακτίνων.
(Από: Βίντεο από το κανάλι "Physics Experiments Lab Phys-EL" στο YouTube)

• Κείμενο (pdf) για τον τρόπο υπολογισμού του λόγου e/m του ηλεκτρονίου από τον Τόμσον. Από τον Νικόλαο Κλούρα, Τμήμα Χημείας Πανεπιστημίου Πατρών. 

• Βίντεο από τον Σταύρο Λουβερδή με τίτλο "Το Πείραμα THOMSON και η Ανακάλυψη του Ηλεκτρονίου | ΝΕΑ ΥΛΗ Γ' ΛΥΚΕΙΟΥ" (ελληνικά, 8:53).

Πηγή: wikipedia,  Κασσέτας,  physics4u,  Εxplorable,  Cmbridge Digital Library,  Owlcation,  Εφημερίδα The Guardian,  Science Museum,   Khanacademy,  Nationalmaglab,  Nobel Prize,  History aip,  Κολέγιο Lemoyne,  American Physical Society (APS),  Geeks for geeks,  Περιοδικό Spectrum,  Tandfonline,  web archive,  merkopanas,