Hart van de Materie 5: Het elektron duikt op

Elektriciteit (en het verwante magnetisme) waren reeds langer bekend in de wetenschappen. Zelfs Thales van Milete had er zijn eigen theorieën over. Plinius de Oudere (23-79 n. Chr) en Scribonius (1-59 n. Chr.) schreven over de verdovende schokken van de siddermeerval in de Nijl. En toch was het wachten op de zeventiende-eeuwse wetenschap, met mensen als de Engelsman William Gilbert (die een studie maakt van zeilsteen, een ijzererts dat van nature reeds magnetisch is), Otto von Guerike (die in 1663 een machine ontwerpt om via wrijving elektrostatische ladingen op te wekken), Stephen Gray en Charles François Du Fay (die samen begrippen als geleiding en isolatie uitwerken). Het was ook Gilbert die het woord electricus bedenkt, letterlijk “amberachtig”, naar het Griekse elektron, amber. Hij doet dat na een studie van het gedrag van amber (barnsteen) dat wordt opgewreven met een doek en zo statisch opgeladen wordt.

In de achttiende eeuw zetten mensen als Benjamin Franklin, Luigi Galvani en Alessandro Volta het werk verder. De eerste toont aan dat bliksem een elektrisch verschijnsel is (met een beroemd en niet geheel ongevaarlijk experiment waarbij hij een vlieger oplaat in het midden van een onweer); Galvani ontdekt dat elektrische stroom een rol speelt in de manier waarop zenuwcellen spieren laten samentrekken. Volta maakt een eerste vorm van batterij (de “zuil van Volta”) en zorgt zo voor een interessante en redelijk constante bron van stroom, wat verder experimenteel werk vergemakkelijkt.

Links: William Gilbert (1544–1603), Olieverf op hout, Wellcome library. Publiek domein.
Midden: Otto von Guericke, Wellcome library CC BY-SA 4.0 (http://catalogue.wellcomelibrary.org/record=b1167069)
Rechts : Charles François de Cisternay du Fay (1698-1739). Publiek domein.

Benjamin Franklin (1868), Library of Congress, Publiek domein.Rechts: Benjamin Franklin Drawing Electricity from the Sky c. 1816 at the Philadelphia Museum of Art, by Benjamin West. Publiek domein.

De kroon op het werk volgt in de negentiende eeuw, wanneer de wetenschap beseft dat elektriciteit en magnetisme twee keerzijden van dezelfde medaille zijn. Het basiswerk wordt uitgevoerd door Hans Christian Ørsted en André-Marie Ampère in 1819-1820, maar het elektromagnetisme krijgt een stevige theoretische basis in het werk On Physical Lines of Force van James Clerk Maxwell (1861-1862). Hoe belangrijk dit werk wel was, mag blijken uit volgende commentaar van de Amerikaanse fysicus Richard Feynman:

"From a long view of the history of the world—seen from, say, ten thousand years from now—there can be little doubt that the most significant event of the 19th century will be judged as Maxwell's discovery of the laws of electromagnetism. The American Civil War will pale into provincial insignificance in comparison with this important scientific event of the same decade."

Wat nog ontbrak, was een sluitende theorie over wat er aan de grondslag lag van deze elektromagnetische verschijnselen. En die moet wachten tot helemaal aan het einde van de negentiende eeuw. Het toestel dat hierbij een cruciale rol gespeeld heeft, is de kathodestraalbuis (voorgesteld op onderstaande figuur). Dit toestel, uitgebreid beschreven in bijgaande figuur, produceerde vreemde stralen, die konden worden opgevangen op een fosforescerende laag. De man die het raadsel van de kathodestraal opgelost kreeg, is Joseph John Thomson.

 

 

Joseph John Thomson (Manchester, 18 december 1856 – Cambridge, 30 augustus 1940), de ontdekker van het elektron. Hij won de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1906, “voor zijn theoretisch en experimenteel onderzoek naar de geleiding van elektriciteit door gassen”. Publiek domein.

 

De kathodestraalbuis waarmee Thomson zijn experimenten uitvoerde.
Bron: J.J. Thomson, Philosophical Magazine, 44, 293 (1897). Publiek domein.

C is de kathode, A de anode (met een opening in het midden).
Wanneer een (hoge) elektrische spanning wordt aangelegd tussen beide punten, dan vormt er zich een straal die eerst doorheen de anode gaat, en dan passeert via een tweede opening, in een geaarde metalen ring (B). Vervolgens passeert deze straal tussen twee platen uit aluminium (D en E). Daarna botst deze straal aan het rechteruiteinde op een oppervlak, dat voorzien is van een fosforescerende substantie, zodat het duidelijk is waar de straal op de oppervlak botst.

Normaal gesproken gaat de straal rechtdoor. Wanneer er echter een elektrisch veld wordt aangelegd tussen de platen D en E, zal dit veld de straal laten uitwijken, weg van de negatieve pool. De uitwijking zelf is evenredig met de sterkte van het elektrisch veld.

Hetzelfde gebeurt echter ook wanneer we de straal in een magnetisch veld plaatsen. De straal buigt af, loodrecht op de magnetische veldlijnen. Dit verschijnsel noemen we de lorentzkracht.

 

 

Thomson ontdekte dat de kathodestraal zowel door een elektrisch veld als door een magneetveld werd afgebogen. Dit kon volgens hem enkel gebeuren indien deze straal bestond uit zeer lichte, negatief geladen deeltjes. Hij sprak zelf van “corpusculen”, maar al gauw noemde de wetenschappelijke wereld deze deeltjes elektronen (wellicht op voorspraak van G. J. Stoney in 1894).

Thomson deed echter meer. Hij mat de massa-ladingsverhouding (e/m) en ontdekte dat deze 1700 maal kleiner was dan die van waterstof, het kleinste atoom. Ondertussen (talloze metingen later) hebben we dit als waarde voor de verhouding tussen lading en massa van het elektron:

en weten we dat een proton 1836 maal zwaarder is dan een elektron. Aan de hand van de gemeten elektrische lading en massa toonde Thomson ook aan dat zo'n elektron veel kleiner was dan een atoom Bovendien stelde hij vast dat hij de kathode en de anode in de kathodebuis uit verschillende metalen kon vervaardigen en dat die nieuwe elektronen daarom in vele atoomsoorten, en wellicht in allemaal, zouden voorkomen. In een publicatie uit 1916 (On the Number of Corpuscles in an Atom) betoogt Thomson dat het aantal elektronen in dezelfde grootteorde moest liggen als de atoommassa (wel, het is gelijk aan het aantal protonen, en dat is min of meer evenredig met die atoommassa, weten we ondertussen). En dus beredeneerde hij dat elektronen  een standaardonderdeel zouden kunnen zijn van het atoom zelf.

Om de algemene neutrale lading van het atoom te verklaren, stelde hij voor dat de elektronen verspreid over het atoom zelf voorkwamen, zoals de krenten en vruchten in een plumpudding (of voor de Vlaamse smaak, een rozijnenkoek). De negatieve ladingen zouden dan puntladingen zijn, verdeeld over een uniform positief geladen materie waar dan de rest van het atoom uit bestond. Hierbij geldt wel, dat Thomson ervan overtuigd was dat de elektronen doorheen die positieve massa konden bewegen (en de meeste rozijnen in een krentenbol niet).

 

Links, de traditionele Engelse plumpudding (een kerstdessert). Rechts, het atoommodel volgens Thomson, voorgesteld in 1900.

 

Thomson hoopte nog om met de mogelijke bewegingen van elektronen in hun positieve matrix een verklaring te bieden voor het bestaan van spectraallijnen. Dat is hem echter nooit gelukt. Een passende verklaring voor die lijnen komt er pas nadat Rutherford en Bohr hun zeg gedaan hebben over de interne structuur van het atoom.

Niet alleen Thomson ontsluierde de geheimen van het elektron. Ook Robert Millikan heeft zijn bijdrage geleverd, door de lading van het elektron op te meten.  Volgens zijn metingen bedraagt deze lading 1,592 10−19 coulomb - volgens modernere metingen (waarbij Millikan een minder correcte waarde gebruikte voor de viscositeit van lucht in zijn berekeningen) is de lading van een elektron eerder 1,602 10−19 coulomb. Eens dat gebeurd was, was het niet moeilijk om uit de metingen van Thomson (lading per massa) en die van Millikan (de lading) nu ook de massa van dit nieuwe deeltje af te leiden. Bovendien zorgde deze waarde voor een van de meest nauwkeurige bepalingen van het Getal van Avogadro tot dan toe.

En zo was bij het begin van de twintigste eeuw het ondeelbare atoom… weer klaar om in kleinere deeltjes te worden opgesplitst.

  

Links: Robert Andrews Millikan (22 maart 1868 – 19 december 1953), Nobelprijswinnaar in de fysica uit 1923. Hoewel hij een bachelordiploma in klassieke letteren had behaald, daagde zijn docent Grieks hem uit om een inleidende cursus natuurkunde gegeven. Dit beviel hem zo erg, dat hij zijn leven lang is blijven bijdragen aan populaire teksten en inleidende cursussen rond wetenschappen. Publiek domein.

Rechts: De originele opstelling waarmee Millikan in 1909–1910 zijn oliedruppelexperimenten uitvoerde. Publiek domein.

Werking van de oliedruppelkamer van Millikan.

Met behulp van een verstuiver bracht Millikan een fijne nevel van oliedruppeltjes in de kamer. Sommige van deze kleine druppeltjes vielen door een gat in het bovenste niveau. Millikan liet ze eerst vallen totdat ze een constante snelheid bereikt hadden. Met een microscoop in de zijwand van het toestel mat hij eerst de eindsnelheid en berekende op basis daarvan de massa van elke oliedruppel. Vervolgens bracht hij een lading op de vallende druppels door de onderste kamer te bestralen met röntgenstralen. Dit ioniseerde de lucht in die kamer, zodat één of meer vrije elektronen zich hechtten aan de oliedruppels. Bovendien gebruikte hij de boven- en onderwand van die onderste kamer om een elektrisch veld aan te leggen, net sterk genoeg om de val van de druppels te stoppen (en die bleven dan zweven in mid-air. Uit de sterkte van het elektrisch veld op dat moment, kon hij dan de lading van de druppels en dus de lading van een elektron berekenen.

 

 

 

Geplaatst door Geert op 25/02/2017 om 03:10