Odkrycie elektronu


Odkrycie elektronu zapoczątkował Michael Faraday, który w 1838 roku przepuścił prąd elektryczny przez szklaną rurę, zawierającą rozrzedzone powietrze. W czasie tego doświadczenia zauważono dziwny łuk świetlny, który rozciągał się od anody (elektrody dodatniej) prawie do katody (elektrody ujemnej). Jedynym miejscem, w którym nie zaobserwowano świecenia, był obszar tuż przed katodą (tak zwana ciemnia Faradaya). Zjawisko owego świecenia nazwano zjawiskiem promieni katodowych, które emitowane są z katody w kierunku anody.


Rys.1. Zjawisko promieni katodowych.        

Przez długi czas uważano, że albo świecenie w rurze powodują jakieś cząsteczki, albo promienie katodowe mają naturę falową.

W 1896 roku wątpliwości te rozwiał Joseph John Thomson w oparciu o swój eksperyment, w którym wykorzystał rurę z rozrzedzonym gazem służącą do wytwarzania promieni katodowych. Zrobił on w anodzie niewielki otwór, dzięki któremu część promieni katodowych, uformowanych w wąską wiązkę, wychodziła poza obszar elektrod. Przechodziła ona przez długą rurę próżniową i padała na fluorescencyjny ekran, który umieszczony był na jej końcu. Na ekranie, w miejscu padania wiązki, powstawała świecąca plamka. Ponadto w rurze próżniowej umieszczone zostały dwie metalowe płyty, podłączone do baterii, między którymi wytwarzane było napięcie elektryczne. Wiązka promieni katodowych przebiegała pomiędzy płytami tak, że kierunek pola był do niej prostopadły. Po wytworzeniu pola elektrycznego okazało się, że wiązka ulega ugięciu (jej obraz na ekranie zmieniał swoje położenie), co było dowodem na to, że promienie katodowe składają się z cząstek, które obdarzone są ładunkiem elektrycznym. Kierunek ugięcia wiązki wskazywał na to, że cząstki obdarzone są ładunkiem ujemnym.

Rys.2. Aparatura Thomsona do wytwarzania promieni katodowych.

Cząstki, wchodzące w skład wiązki, nazwano elektronami. Thomson stwierdził także, iż elektrony są składnikami wszystkich atomów, a promienie katodowe to elektrony, które oddzieliły się od atomów.

Lampa elektronowa Thomsona została również zastosowana do ilościowego zbadania ugięcia wiązki elektronów w polu magnetycznym i elektrycznym. Zjawiska te mogły być obserwowane dzięki wbudowanym płytkom odchylania pionowego (pole elektryczne) oraz generacji zewnętrznego pola magnetycznego, które wytwarzane było przez parę cewek. Jeżeli pola magnetyczne i elektryczne są względem siebie prostopadłe, to na strumień elektronów w ruchu działają przeciwnie skierowane siły pola elektrycznego i magnetycznego. Dobranie odpowiednich wartości tych pól prowadzi do zrównoważenia sił i w ten sposób można wyznaczyć ładunek właściwy elektronu e/m.

Wyznaczanie ładunku właściwego elektronu e/m

W czasach Thomsona wiadome było, że atomy nie są naładowane elektrycznie, zatem muszą zawierać dodatni ładunek elektryczny, który równoważy ujemny ładunek elektronów. Thomson zaproponował, że dodatni ładunek atomu jest rozłożony równomiernie w całej objętości atomu, a elektrony drgają wokół ściśle określonych położeń (model takiego atomu nazwany został modelem „ciasta z rodzynkami”).


Rys.3. Model atomu Thomsona.

Na początku XX wieku Rutherford zasugerował, że elektrony krążą wokół jądra po orbitach, w taki sam sposób, jak planety wokół Słońca. Koncepcja ta budziła wiele kontrowersji, gdyż prawa fizyki, jakie wówczas znano, nie dopuszczały możliwości istnienia takiego atomu.


Rys.4. Model atomu Rutherforda.

Krążące ładunki elektryczne powinny wypromieniowywać energię i w ułamku sekundy spadać wzdłuż spiralnego toru na jądro. Rozwiązanie tego problemu polegało na skwantowaniu energii elektronów w atomach, które zaproponowane zostało przez Nielsa Bohra. Postulował on, że elektrony w atomach mogą mieć tylko pewne ściśle określone wartości energii. Elektrony zamiast wypromieniowywać energię w sposób ciągły i posuwać się spiralnie w głąb atomu, mogą przeskakiwać z jednego stanu energetycznego na inny, emitując lub pochłaniając tyle energii, żeby jej całkowita ilość miała zawsze stałą wartość. Dopóki elektron znajduje się na orbicie, energia nie jest wypromieniowywana, ale jeżeli przechodzi on ze stanu o wyższej energii, do stanu o niższej energii, to emituje energię. Skwantowano nie tylko energię, ale także moment pędu elektronu, krążącego po orbicie. Kwantowanie to polegało na ograniczeniu dopuszczalnych wartości momentu pędu do całkowitych wielokrotności stałej Plancka . Stwierdzono, że elektron ma własny, wewnętrzny moment pędu (spin) o wartości 1/2.

Symbol e
Klasyfikacja lepton, fermion
Ładunek
Masa
Spin 1/2
Tabela: Podstawowe własności elektronu.
wróć
Odkrycie protonu
Odkrycie neutronu
Odkrycie pozytonu
Odkrycie neutrina

idź do spisu treści