Η ιστορία του ηλεκτρονίου, Crookes, Zeeman,Thompson, Millikan

Η λέξη ηλεκτρόνιο προέρχεται από την ελληνική λέξη «ήλεκτρον» (κοινώς «κεχρι­μπάρι»), την καστανοκίτρινη απολιθωμένη ρητίνη των κωνοφόρων δένδρων. Οι αρ­χαίοι Έλληνες, μελετώντας αυτό το υλικό, διαπίστωσαν ότι όταν τριβόταν με ένα κομμάτι ύφασμα αποκτούσε την ιδιότητα να έλκει ελαφρά αντικείμενα, όπως μικρά κομμάτια από άχυρο. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό ως «φαινόμενο του ήλεκτρου», πα­ρέμεινε ανεξήγητο για 2000 περίπου χρόνια. Στα τέλη του 16ου αιώνα, ο Γουίλλιαμ Γκίλμπερτ (William Gilbert), γιατρός της Βασίλισσας Ελισάβετ, ανακάλυψε και άλ­λα υλικά με αυτήν την ιδιότητα, και τα ονόμασε «ηλεκτρικά». Παράλληλα με τις έρευνες για τον ηλεκτρισμό εξελίσσονταν τα πειράματα για τη θερμότητα. Η θεωρία που επικρατούσε τότε ήταν ότι υπήρχαν δύο ανεπαίσθητα ρευστά, ο ηλεκτρισμός και η θερμότητα. Ο όρος «ανεπαίσθητο» ή «αβαρές» αναφερόταν σε φυσικές ιδιότητες μιας ουσίας που δεν είχε ύλη. Κοινό χαρακτηριστικό των δύο αυτών «ρευστών» ήταν ότι μεταφέρονταν μέσα από ορισμένες κατηγορίες σωμάτων, όπως αποδείκνυαν τα πειράματα που προαναφέραμε για τον ηλεκτρισμό. Αυτή η ιδέα έχει παραμείνει μέχρι σήμερα στην ορολογία, αφού αναφερόμαστε σε ροή θερμότητας ή ηλεκτρισμού. Προσπάθειες να μεταφερθεί η ιδέα των ανεπαίσθητων ρευστών στο φως, την καύση, το μαγνητισμό, τη βαρύτητα κτλ. δεν απέδωσε, γιατί δεν ήταν δυνατόν να εξηγηθούν διάφορα φαινόμενα.
Ο Νεύτων είχε την ελπίδα να αναγάγει την εξήγηση όλων αυτών των φαινομένων σε μηχανιστικές δράσεις μεταξύ των ατόμων της ύλης, όπως είχε εξηγηθεί η κίνηση των πλανητών κτλ. Εδώ ως άτομο νοείται το ελάχιστο αδιαίρετο τμήμα της ύλης, περίπου όπως το είχε περιγράψει ο Δημόκριτος, χωρίς κάποιες ιδιαίτερες γνώσεις για τις ιδιότητές του. Ενώ όμως η βαρυτική έλξη δεν ήταν δυνατόν να μετρηθεί σε εργαστηριακή κλίμακα, επειδή είναι πολύ ασθενής, η ηλεκτρική έλξη μπορούσε να μετρηθεί, να μεταφερθεί, να απομονωθεί μέσα σε μεταλλικά σώματα, να γίνει ορατή ως σπινθήρας, να ανάψει εύφλεκτα υγρά, να ερεθίσει το δέρμα ανθρώπων και ζώων κ.ά. Έτσι, η ελπίδα αυτή του Νεύτωνα δεν ευοδώθηκε. Με την πάροδο του χρόνου οι πειραματιστές του ηλεκτρισμού βρήκαν θέση στα Πανεπιστήμια της εποχής. Συνηθέστερα πειράματα ήταν αυτά με το «ηλεκτρισμένο παιδί» του Γκραίυ, το απότομο τράβηγμα μεταξωτού γαντιού από το χέρι σε σκοτάδι, το οποίο συνοδευόταν από τσιριχτό ήχο και λάμψη, η μαζική ηλέκτριση ομάδας ανθρώπων που πιάνονταν από τα χέρια και αποδείκνυαν ότι ο ηλεκτρισμός «μεταφέρεται», ο χαρταετός του Φραγκλίνου κ.ά. Αρχικά έπρεπε οι πειραματιστές να κατασκευάσουν ή να αγοράσουν με δικά τους χρήματα τις συσκευές επιδείξεως, αργότερα άρχισαν τα Πανεπιστήμια να εξαγοράζουν αυτές τις συσκευές για να χρησιμοποιηθούν από το διάδοχο του αποχωρούντα πειραματιστή.

Ωστόσο, η έννοια του ηλεκτρικού φορτίου δεν διαμορφώθηκε παρά μόνο έπειτα από τα πειράματα του Αμερικανού επιστήμονα και πολιτικού Βενιαμίν Φραγκλίνου (Benjamin Franklin), σχεδόν δύο αιώνες αργότερα.

Ο Φραγκλίνος πειραματίστηκε με ηλεκτρικά φαινό­μενα, και εισήγαγε αξιωματικά την έννοια του ηλεκτρικού ρευστού, μιας ουσίας που μπορούσε να ρέει από το ένα μέρος στο άλλο. Σύμφωνα με την ερμηνεία του, υπήρ­χαν αντικείμενα που είχαν περίσσεια του ρευστού αυτού, και τα οποία ονόμαζε «ηλεκτρικώς θετικά», και άλλα που είχαν έλλειμμα του ρευστού, και τα ονόμαζε «ηλεκτρικώς αρνητικά». Θεωρούσε ότι το ρευστό είχε την ιδιότητα να έλκει τη συ­νηθισμένη ύλη, αλλά να απωθεί τον εαυτό του. Παρ' όλο που σήμερα η έννοια του ηλεκτρικού ρευστού έχει εγκαταλειφθεί προ πολλού, εξακολουθούμε να ορίζουμε τους θετικούς και τους αρνητικούς φορείς ηλεκτρισμού σύμφωνα με τον τρόπο που υπέδειξε ο Φραγκλίνος. Οι περισσότεροι από εσάς πιθανότατα γνωρίζετε το πείρα­μα που πραγματοποίησε ο Φραγκλίνος το 1752, ανυψώνοντας έναν χαρταετό στη διάρκεια μιας καταιγίδας. Το πείραμα αυτό έδειξε ότι ο κεραυνός είναι μια ηλεκτρι­κή εκκένωση ανάμεσα στα σύννεφα και στο έδαφος, και αποκάλυψε στον Φραγκλί­νο ότι ο ηλεκτρισμός δεν περιορίζεται μόνο σε στερεά ή υγρά σώματα, αλλά μπορεί να διαδοθεί και δια μέσου ενός αερίου.Τα πειράματα του Φραγκλίνου παρακίνησαν αργότερα άλλους επιστήμονες να παραγάγουν ηλεκτρικά ρεύματα δια μέσου διαφόρων αερίων χαμηλής πυκνότη­τας μέσα σε σφραγισμένους γυάλινους σωλήνες (οι διατάξεις αυτές ονομάζονται επίσης «λυχνίες»).

WILLIAM CROOKES

Ένας από αυτούς που πραγματοποίησαν σχετικά πειράματα κατά τη δεκαετία του 1870 ήταν ο Σερ Γουίλλιαμ Κρουκς (William Crookes), ένας εκκε­ντρικός Αγγλος επιστήμονας που πίστευε ότι μπορούσε να επικοινωνήσει με τους νεκρούς. Γεννήθηκε στο Λονδίνο στις 17 Ιουνίου 1832, γιος του Joseph Crookes, ένας ράφτης του Βορρά, με τη δεύτερη γυναίκα του, Mary Scott. Ο Γουίλλιαμ πήγε σε ένα σχολείο μέσης εκπαίδευσης στο Chippenham, αλλά η επιστημονική σταδιοδρομία του άρχισε όταν, στην ηλικία δεκαπέντε, μπήκε στο βασιλικό κολλέγιο της χημείας in Hanover Square, στο Λονδίνο, κάτω από την εποπτεία του August Wilhelm von Hofmann. Αφορμή για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου στάθηκαν τα πειράματα ηλεκτρικών εκκενώσεων σε αραιωμένα αέρια που πραγματοποίησε στο δεύτερο μισό του 19ου αιώνα μαζί με πολλούς άλλους επιστήμονες, όπως ο Γερμανός Χίτορφ (J.W. Ηittοrf) ο Άγγλος Κρουκς (William Crοοkes). Τα πειράματα αυτά γίνονταν σε διάφορους σωλήνες εκκενώσεως. Σε πολύ προχωρημένη αραίωση, της τάξης των 10-3 χιλιοστών στήλης υδραργύρου (mm Ηg) και για αρκετά μεγάλη τάση μεταξύ των ηλεκτροδίων, παρατηρούνταν φαινόμενα ακτινοβολίας. Αυτή η ακτινοβολία προερχόταν από την κάθοδο της λυχνίας εκκένωσης και γι` αυτό πήρε το όνομα "καθοδικές ακτίνες".
Ο Κρουκς έχει μείνει γνωστός κυρίως χάρις στη φερώνυμη λυχνία που επι­νόησε. Επρόκειτο για έναν σφραγισμένο γυάλινο σωλήνα που περιείχε αέριο πολύ χαμηλής πυκνότητας και έφερε στο εσωτερικό του δύο ηλεκτρόδια, ένα κοντά σε κάθε άκρο (ένας πρόδρομος της σημερινής λυχνίας «νέου» που χρησιμοποιείται σε φωτεινές επιγραφές). Όταν τα ηλεκτρόδια συνδέονταν με μια πηγή τάσης (π.χ. μια μπαταρία), το αέριο φωτοβολούσε. Διαφορετικά αέρια εξέπεμπαν φως διαφορετικού χρώματος. Πειράματα με λυχνίες που περιείχαν μεταλλικά ελάσματα με σχισμές και μεταλλικές πλάκες έδειξαν ότι η φωτοβολία του αερίου οφειλόταν σε ένα είδος «ακτίνων» που εκπέμπονταν από τον αρνητικό ακροδέκτη (την κάθοδο). Με τη βοή­θεια των ελασμάτων με τις σχισμές μπορούσε να μειωθεί το πλάτος της ακτίνας, ενώ οι πλάκες μπορούσαν να ανακόψουν την πορεία της προς τον θετικό ακροδέκτη (την άνοδο).Γύρω από τη φύση των καθοδικών ακτίνων υπήρχε μεγάλη διαφωνία. Οι επιστήμονες της εποχής είχαν χωριστεί σε αυτούς που πίστευαν ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν φορτισμένα σωματίδια και σε αυτούς που υποστήριζαν ότι ήταν κύματα.Πολλοί γερμανοί φυσικοί, όπως ήταν ο Gustav Herz το 1892, ισχυρίστηκαν ότι οι καθοδικές ακτίνες δεν θα μπορούσαν να είναι σωματίδια, έτσι θα έπρεπε να ήταν κύματα. Στην Αγγλία, όμως, ο Crookes επέμενε ότι οι ακτίνες ήταν φορτισμένα σωμάτια. Μαζί του συντάχθηκαν πολλοί Άγγλοι φυσικοί σαν τον Kelvin, τον Joseph John Thomson κλπ. Όπως βλέπουμε υπήρχαν δύο σχολές: η γερμανική που υποστήριζε την κυματική φύση και η αγγλική που υποστήριζε την σωματιδιακή φύση των καθοδικών ακτίνων. Το πάθος των Άγγλων για παιχνίδια με μπάλες, όπως το κρίκετ, μπορεί να έπαιξε κάποιο ρόλο γι αυτή την προτίμηση. Και εκεί άρχισαν να ελέγχουν τη φύση τους. Είδαν ότι εκτρεπόταν από ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά δε μπορούσαν να εκτελέσουν πείραμα ώστε να εκτρέψουν την πορεία της από ένα ηλεκτρικό ώστε να πουν με σιγουριά ότι ήταν σωματίδια. Μάλιστα φαινόταν ότι τα σωματίδια αυτά είχαν φορτίο και μάλιστα αρνητικό.
Το 1895 στο Παρίσι, ο Γάλλος φυσικός Jean Baptiste Perrin απέδειξε ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν αρνητικά φορτισμένα σωματίδια. Σε ένα σωλήνα υψηλού κενού οδήγησε τις καθοδικές ακτίνες σε έναν κλωβό Faraday και εκεί βρήκε ότι μετέφεραν ηλεκτρικό φορτίο. Μπορούσαν, δε, να εκτραπούν από το μαγνητικό πεδίο. Με αυτό το πείραμα ο Perrin άνοιξε το δρόμο για την εύρεση του ηλεκτρονίου, που σαν όρος προτάθηκε το 1894 από τον J. Stoney.

PIETER ZEEMAN

Oλλανδός φυσικός o Pieter (Peter) Zeeman, γεννήθηκε στις 25 Μαΐου του 1865 στο Zonnemaire, ένα μικρό χωρίο της Ολλανδίας. Εισήχθηκε στο πανεπιστήμιο του Leyden και έγινε μαθητής του Kamerlingh Onnes (mechanics) και του Lorentz (experimental physics). Το 1894 ο νεαρός τότε ολλανδός φυσικός συνέχισε τις προσπάθειες του Faraday, ο οποίος είχε ανακαλύψει ότι το μαγνητικό πεδίο στρέφει το επίπεδο πόλωσης του φωτός. Δύο χρόνια αργότερα (1896) βρήκε ότι οι γραμμές στο φάσμα εκπομπής του νατρίου διαχωρίζονταν, όταν η πηγή του φωτός βρισκόταν μέσα σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο, κάτι που ο Faraday δεν μπόρεσε να βρει. Συγχρόνως, παρατήρησε ότι οι φασματικές γραμμές ήταν πολωμένες.
Η εξήγηση του φαινομένου Zeeman - όπως ονομάστηκε - από τον Hendrik Lorentz, στον οποίο ήταν βοηθός ο Zeeman, ήταν ανατρεπτική για τις μέχρι τότε θεωρίες.
Η βασική ιδέα ήταν ότι το φως εκπεμπόταν από κινούμενα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια (τα ηλεκτρόνια) μέσα στο άτομο κι όχι από το άτομο. Γι' αυτό και η κίνηση τους επηρεαζόταν από το μαγνητικό πεδίο, σύμφωνα με τους νόμους του κλασσικού ηλεκτρομαγνητισμού.
Από τη μεταβολή της συχνότητας του εκπεμπόμενου φωτός οι Zeeman και Lorentz υπολόγισαν το λόγο e/m, το ειδικό φορτίο των σωματιδίων που προκαλούσαν την εκπομπή του φωτός, όπως και το είδος του φορτίου (αρνητικό). Φυσικά, τα σωματίδια αυτά βρίσκονταν δέσμια μέσα στα άτομα. Tο επόμενο έτος (1897) καθιερώθηκε η ανακάλυψη της ύπαρξης των ελεύθερων ηλεκτρονίων υπό μορφή καθοδικών ακτίνων από τον J. J. Thomson, πρόσεξαν ότι ο λόγος q/m ήταν ο ίδιος με το λόγο q/m που είχε ανακαλύψει ο Thomson από τα πειράματα εκτροπής των ηλεκτρονίων αλλά και το είδος του φορτίου ήταν επίσης το ίδιο. Έτσι αποδείχθηκε ότι τα ηλεκτρικά φορτία που προκαλούσαν την εκπομπή του φωτός ήταν ίδια με τα ηλεκτρόνια που είχε ανακαλύψει ο Thomson.

J. J. THOMSON

Ο Thomson γεννήθηκε στις 18 Δεκεμβρίου το 1856 στο Cheetham Hill ένα προάστιο του Manchester. Στα 25 του χρόνια πίστευε ότι οι καθοδικές ακτίνες δεν είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία οπότε επεδίωξε να εμβαθύνει στην έρευνα των καθοδικών ακτίνων σε ολοένα υψηλότερο κενό και να δείξει, μέσα εκεί, την εκτροπή τους από ηλεκτρικό πεδίο. Μερικά χρόνια αργότερα, το κατάφερε. Ο άγγλος Τόμσον (J.J. Τhοmsοn) κατόρθωσε (το 1897) να επιβεβαιώσει τη φύση των καθοδικών ακτίνων και να μετρήσει την ταχύτητα των εκπεμπόμενων σωματιδίων και το λόγο του ηλεκτρικού τους φορτίου προς τη μάζα τους.Έδειξε ότι οι καθοδικές ακτίνες ήταν όντως σωμάτια, μικρότερα και ελαφρύτερα από τα άτομα, και, κατά τα φαινόμενα, όλα πανομοιότυπα μεταξύ τους. Ο Τόμσον παρήγαγε στενές δέσμες καθοδικών ακτίνων και μέτρησε την απόκλιση τους σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία. Κατέ­ληξε στο συμπέρασμα ότι ο βαθμός εκτροπής εξαρτώνταν από τρεις παράγοντες: τη μάζα των σωματίων, την ταχύτητα τους, και το ηλεκτρικό τους φορτίο. Με ποιον τρόπο, όμως, εξαρτάται η γωνία εκτροπής από αυτούς τους παράγοντες; Όσο μεγα­λύτερη είναι η μάζα του κάθε σωματίου, τόσο μεγαλύτερη είναι και η αδράνεια του, και επομένως τόσο μικρότερη η εκτροπή. Όσο μεγαλύτερο είναι το φορτίο του κά­θε σωματίου, τόσο μεγαλύτερη είναι και η δύναμη που ασκείται σε αυτό, και άρα τόσο μεγαλύτερη και η εκτροπή. Τέλος, όσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα του σωμα­τίου, τόσο μικρότερη είναι η εκτροπή. Επιπλέον, ο Τόμσον ήταν σε θέση να απο­δείξει, με βάση τα πειραματικά του δεδομένα, ότι η μάζα των σωματίων ήταν πολύ μικρότερη από αυτήν οποιουδήποτε ατόμου. Σύντομα μετά την ανακοίνωση των αποτελεσμάτων αυτών, το σωμάτιο των καθοδικών ακτίνων ονομάστηκε ηλεκτρό­νιο. Ο Τόμσον κατάφερε να προσδιορίσει το λόγο e/m, το λόγο της μάζας του ηλεκτρονίου προς το φορτίο του. Ο Τόμσον ήταν ο πρώτος που παρατήρησε την εκτροπή των καθοδικών ακτίνων από ηλεκτρικό πεδίο, αφού η εκτροπή τους από μαγνητικό πεδίο ήταν ήδη γνωστή. Αργότερα, με βάση τη θεωρία του Γουίλσον (Charles T. R. Wilson), κατόρθωσε να μετρήσει το φορτίο του ηλεκτρονίου και από τη γνωστή τιμή του λόγου e/m, υπολόγισε και τη μάζα του. Βρήκε ότι η μάζα των σωματιδίων αυτών ήταν κατά πολύ μικρότερη από τη μάζα του πιο ελαφρού ατόμου, δηλαδή του ατόμου του υδρογόνου. Αυτό ήταν μία ένδειξη για την ύπαρξη εσωτερικής δομής στα άτομα.
Για την ανακάλυψη του ηλεκτρονίου, ο J.J. Thomson τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1906.

Robert Andrews Millikan

Γεννήθηκε στις 22 Μαρτίου του 1868, πήρε Bachelor από το Oberlin College το 1891, ενώ το doctora του στη φυσική από το Columbia University το 1895. Ήταν μάλιστα ο πρώτος που πήρε phd από το συγκεκριμένο ίδρυμα.Ο Μίλλικαν υπολόγισε την αριθμητική τιμή της θεμελιώδους μονάδας του ηλεκτρικού φορ­τίου με βάση μια σειρά πειραμάτων που πραγματοποίησε το 1909. Στα πειράματα αυ­τά, ο Μίλλικαν εισήγαγε με έναν ψεκαστήρα μικροσκοπικά σταγονίδια ελαίου μέσα σε έναν θάλαμο που βρισκόταν μεταξύ ηλεκτρικά φορτισμένων πλακών - δηλαδή μέ­σα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Όταν το πεδίο που εφαρμοζόταν ήταν ισχυρό, κάποια από τα σταγονίδια κινούνταν προς τα πάνω, γεγονός που υποδείκνυε ότι έφεραν ένα πολύ μικρό αρνητικό φορτίο. Ο Μίλλικαν ρύθμισε την ένταση του πεδίου έτσι ώστε τα σταγονίδια να αιωρούνται ακίνητα. Γνώριζε ότι όταν συνέβαινε αυτό η προς τα κάτω δύναμη της βαρύτητας στα ακίνητα σταγονίδια αντισταθμιζόταν ακριβώς από την προς τα πάνω ηλεκτρική δύναμη. Αναλύοντας τα πειραματικά δεδομένα, διαπίστωσε ότι το φορτίο κάθε σταγονιδίου ήταν πάντοτε ακέραιο πολλαπλάσιο μιας σταθερής πολύ μικρής ποσότητας, και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ποσότητα αυτή αντι­προσώπευε τη θεμελιώδη μονάδα του ηλεκτρικού φορτίου. Ο Μίλλικαν ήταν ο πρώ­τος που προσδιόρισε το φορτίο του ηλεκτρονίου. Η τιμή που βρήκε ο Μίλικαν για το φορτίο του ηλεκτρονίου, θεωρούνταν για αρκετά χρόνια απολύτως σωστή. Ωστόσο, το 1929 αποδείχθηκε ότι η τιμή αυτή είχε ένα σφάλμα της τάξης του 1%, πολύ μεγαλύτερο από το αναμενόμενο, λόγω κακής μέτρησης του ιξώδους του αέρα. Οι παραδεκτές τιμές σήμερα, για τη μάζα και το φορτίο του ηλεκτρονίου είναι : m=9,1083.10-28 γραμμάρια (gr) και φορτίο e =1,6021 .10-19 κουλόμπ (Cb).
Χρησιμοποιώντας αυτήν την τιμή και τον λόγο της μάζας προς το φορτίο, τον οποίο είχε προσδιορίσει ο Τόμσον, υπο­λόγισε ότι η μάζα του ηλεκτρονίου είναι το 1/2000 της μάζας του ελαφρύτερου γνω­στού ατόμου, του ατόμου του υδρογόνου. Το αποτέλεσμα αυτό επιβεβαίωσε ότι το άτομο δεν είναι το υλικό σωμάτιο με τη μικρότερη μάζα. Για τη συνολική του συνει­σφορά στη φυσική, ο Μίλλικαν τιμήθηκε με το βραβείο Νομπέλ Φυσικής το 1923.

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ:

1. http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1902/zeeman-bio.html

2. http://www.livepedia.gr/index.php/%CE%97%CE%BB%CE%B5%CE%BA%CF%84%CF%81%CF%8C%CE%BD%CE%B9%CE%BF

3. Φυσική Α΄ Τάξη Ενιαίου Πολυκλαδικού Λυκείου, ΟΕΔΒ, 1996, Αθήνα.

4. Φυσική Β΄Ενιαίου Λυκείου, ΟΕΔΒ,1998, Αθήνα.

5. Hewitt,P,(1992) Οι έννοιες της φυσικής, ΠΕΚ.

6. http://users.sch.gr/kassetas/education.htm

7. http://sfrang.com/historia/default.htm