Természet Világa, 1997. április
KOVÁCS LÁSZLÓ
100 éve: elektron
Lénárd Fülöp és J. J. Thomson katódsugárcsövei

Elôzmények
A nagy felfedezéseket szívesen kötik meghatározott dátumhoz és egy-egy jelentôs személyiséghez. Szeretnénk megmutatni, hogy sok kutató kitartó munkája teszi lehetôvé azt, hogy egy zseniális ember végül kimondja a döntô szót. A német alaposságú fizikatörténet-írás szerint elôször 1800-ban és 1801-ben írta le Johann Wilhelm Ritter (1776–1810) azt a megállapítást, hogy víz, konyhasó és savak elektrolízisekor a bomlástermékekhez meghatározott nagyságú pozitív és negatív elektromos töltésmennyiség kapcsolható (1). De van, aki még távolabb megy, és Benjamin Franklinra (1706–1790) hivatkozik, aki ezt írta 1756-ban: "Az elektromosság rendkívül parányi részecskékbôl áll..." (2) A jól meghatározott anyagmennyiség kiválásához pontosan definiálható töltésmennyiség kell: errôl szólnak Michael Faraday (1791–1867) törvényei is; ô az ezekhez vezetô kísérleteit 1831. augusztus 29-én kezdte meg (3). Hermann von Helmholtz (1821–1894) 1881. április 5-én mondta ki azt, hogy az elektromos áramot meghatározott mennyiségû pozitív és negatív ion szállítja. 1893-ban megállapította azt is, hogy elmélete összhangban van a Maxwell-egyenletekkel. Az elektrolízis törvényeire alapozott H. A. Lorentz (1826–1911) is, amikor 1895-ben közzétette az elektromosság atomos felépítésérôl szóló elméletét. Lorentz ebben arra támaszkodott, hogy G. Johnstone Stoney (1853–1928) 1874-ben elkezdett kutatásai eredményeként 1881. február 16-i elôadásában már ki is számította az elektromosság egységének (unity of electricity) a nagyságát: 10–20 amper. (A pontos érték 16-szor nagyobb, és azt ma nem A=C/s-ban, hanem C-ban – coulombban – mérjük: e=1,6 ·10–19 C.) Erre az egységre az elektron szót Stoney használta elôször, még a tényleges felfedezés elôtt 1895-ben, a Philosophical Magazine 40. kötetének 372. oldalán.

A Coulomb-törvény értelmezése során W E. Weber (1804–1890) már 1846-tól kezdve beszél "elektromos tömegegységrôl", egymással kölcsönható "+e és –e önálló atomokról".

Az elektron tényleges felfedezéséhez a gázkisülések, azon belül is a katódsugarak tanulmányozása vezetett. Ez a történet 1855-ben kezdôdik: Heinrich Geissler (1815–1879) felfedezte a higanylégszivattyút és ezzel kezdetét vette a "Geissler-csövek" tanulmányozása.

J. W Hittorf (1824–1914) 1869-ben kimutatta a katódsugarak egyenes vonalú terjedését; e tényt megerôsítve E. Goldstein (1850–1930) vezette be a katódsugarak elnevezést 1876-ban.

William Crookes (1832–1919) megmutatta, hogy a katódsugarak mágneses térrel eltéríthetôk (1879), mechanikai és melegítô hatásuk van, és fluoreszkálást okoznak. Ugyanakkor azt állította, hogy a légüres térben a katódsugarak nem terjedhetnek. Jean Baptiste Perrin (1870–1942) 1895-ben a katódsugarak útjába helyezett fémen negatív elektromos töltést észlelt. A felsorolt kutatók – Goldstein kivételével – e megfigyeléseikbôl a katódsugárzás korpuszkuláris jellegére következtettek. Az úgynevezett "német iskola" az éter hullámzásának tekintette a katódsugarakat. Felületes tudásunk alapján mondhatnánk ôket bölcsnek, elôrelátónak, hisz 1923-ban Louis de Broglie (1892–1987) feltételezte, és 1927-ben C. Davisson (1881–1958), L. H. Germer (1896–1971) és J. P Thomson (1892–1975), J. J. Thomson fia bebizonyította, hogy az elektronhoz jól meghatározott hullámhossz rendelhetô. Azonban a hullámképet csak akkor kell használnunk, ha az elektromos térerôsség a geometriai térben igen erôsen változik, pl. egy atomon belül. A kisülési csöveknél a részecskemodell a megfelelô leírás.

A múlt század végi hullámelképzelés legjelentôsebb alakja H. Hertz (1857–1894). Sikeres volt ô az elektromágneses hullámok kimutatásában, így joggal gondolta, hogy a katódsugárzásnál is hullámokkal van dolga. Hullámelképzelésének az adott alapot, hogy sikerült neki a katódsugarakat – még a fény számára is átlátszó – fémfólián keresztülhoznia. Ugyanakkor – hibás kísérleti elrendezés miatt – nem sikerült Hertznek a katódsugarakat elektromos térrel eltéríteni. A fény útját sem lehet elektromos térrel megváltoztatni.

Lénárd Fülöp kísérletei
Lénárd Fülöp (Pozsony, 1862. jún. 7. – Messelhausen, 1947. máj. 20.) 1891 és 1894 között H. Hertz asszisztenseként dolgozott Bonnban. EI akarta dönteni azt a kérdést, hogy terjednek-e a katódsugarak légüres térben. Ez azért volt nehéz feladat, mert igen nagy légritkítás esetén nem jött létre elektromos kisülés, így nem jött létre katódsugárzás sem.

Lénárd kísérleteinek leírását folyóiratunk 101 évvel ezelôtti áprilisi számából idézzük (Strausz Ármin: Lénárd és Röntgen, Természettudományi Közlöny XXVIII. 1896.):

"Hogy a katódsugarak a légüres térben, a mennyiben ilyet létesíthetünk, is terjednek, azt Lénárd úgy mutatta ki, hogy E csövet megtoldotta B csôvel, úgy, hogy csak az alumíniumablak választotta el ôket egymástól. B csõben is vannak beforrasztott elektródok, de ezek csak annak a kimutatására szolgálnak, hogy benne már nem keletkeznek katódsugarak, feltéve, hogy belôle a levegôt higanylészivattyúval elõbb lehetôleg eltávolítottuk. Ha most E csôben megindítjuk a kisüléseket, a keletkezô katódsugarak az alumíniumablakon keresztül tovább terjednek B felé, megvilágítják az útjokba esô kör alakú elektródot, és ha ez át van lyukasztva, a csô másik végén T-nél éles fényfoltot létesítenek. E kísérletet hosszú ideig csinálhatjuk anélkül, hogy B csôben a gáz mennyisége és ezzel kapcsolatban a nyomása észrevehetôleg megnövekednék, a mi azt bizonyítja, hogy E csõbôl nem mentek át a gázmolekulák B csõbe, tehát nem is ezek közvetítették a katódsugarakat. E kísérlet, Lénárd véleménye szerint, megdönti a Crookes-féle elméletet a sugárzó anyagról és valószínûvé teszi, hogy a katódsugarak az éterben végbemenô mozgások."

Lénárd volt tehát az elsô, akinek sikerült a katódsugarakat abból a térbôl kivezetni, ahol keletkeznek. Ezek után meg tudta ôket vizsgálni mind a légüres térben, mint a közönséges nyomású levegôben és e közben igen érdekes tapasztalatokra jutott. (Az alumíniumablak 1,7 mm átmérôjû és 0,00265 mm vastagságú volt.) Lénárd megállapította, hogy a katódsugarak sebességétôl függ az áthatolóképességük. Vizsgálta a sugarak ionizáló hatását és mágneses térben történô eltérülését is. Megállapította, hogy minél nagyobb ritkításnál létesítette a katódsugarakat (azaz minél nagyobb azok sebessége), annál kevésbé térültek el a mágneses térben. Elkészítette a "különbözô minôségû" katódsugarak "mágneses spektrumát". Lénárd 1905-ben kapott fizikai Nobel-díjat "a katódsugarakkal kapcsolatos munkásságáért". Közismert, hogy Lénárd Röntgent is segítette felfedezésében: Röntgen meg akarta ismételni Lénárd kísérleteit; kért és kapott is Lénárdtól az ô speciális csöveibôl. Német fizikatörténészek tudni vélik, hogy a Nobel-díj bizottság gondolkodott azon, hogy az elsô Nobel-díjat megosztva adja ki: Röntgennek és Lénárdnak.

A röntgensugárzás felfedezése nagy lendületet adott a századvégi kutatásoknak. H. Becquerel (1852–1908) is ezáltal kezdett azokhoz a vizsgálataihoz, melyek során felfedezte a természetes radioaktivitást. Ma már tudjuk, hogy éppen az elektronsugárzást, a b-sugárzást sikerült neki elôször kimutatnia, 1896. március 1-jén az 238U leányelemeinek, a 234Th-nak és a 234Pam-nak a b-sugárzását.

Röntgen kimutatta, hogy az általa felfedezett sugarak ionizálják a levegôt. Ennek alapján megnôtt a kutatók aktivitása a gázkisülések vizsgálatánál is. A kinetikus gázelmélet és a kémiai eredmények az anyag atomos szerkezetét támasztották alá. Sok ismeret gyûlt össze az anyag elektromos tulajdonságairól. Már csak az elektromos és az atomi tulajdonságok közti kapcsolat hiányzott. Ezt a kapcsolatot találta meg Thomson.

Joseph J. Thomson
Thomson 1856. december 18-án született Manchester közelében. Apja könyvkereskedô és -kiadó volt. 1937-ben önéletrajzában ezeket írta (4): "Amikor gyerek voltam, nem volt bicikli, nem volt autó, nem volt repülôgép, nem volt elektromos világítás, telefon, rádió, gramofon, elektromérnöki tudomány, nem voltak röntgengépek, mozik és baktériumok, legalábbis az orvosok nem tudtak róluk." A manchesteri Owens College-ba, majd ösztöndíjjal a cambridge-i Trinity College-ba, Newton kollégiumába járt, ahol 1882-ben a matematika tanára, majd 1883-ban egyetemi professzor lett. 1894-ben a kísérleti fizika "Cavendish-professzorává" nevezték ki, ezzel átvette Lord Rayleightôl az egyetem fizikai intézetének, a Cavendish Laboratóriumnak a vezetését, amelyet 1926-ban adott át tanítványának, E. Rutherfordnak (1871–1937).

1897-ben felfedezte az elektront, majd tömegspektrográfiai munkája során kimutatta az izotópok létezését. Munkásságáért 1906-ban kapott fizikai Nobel-díjat. 1915-tôl 1920-ig a Brit Tudományos Akadémia elnöke, 1918-tól 1940-ig a Trinity College vezetôje volt.

Az angol fizika fellegvárát, a Cavendish Laboratory-t Devon megye hetedik hercege, Duke Cavendish, a torziós inga felfedezôjének, Henry Cavendishnek a távoli rokona alapította 1870-ben. Az elsô "Cavendish-professzor" James Clerk Maxwell (1831–1879) volt. Az emléktáblával jelölt eredeti épület Cambridge belvárosában, a Free School Lane-en található. Itt mûködött az intézet 1974-ig. A korabeli eszközöket – köztük J. J. Thomson e/m-csöveit – a Cavendish Laboratory nyugat-cambridge-i új épületegyüttesének Bragg-szárnyában házi kiállításon láthatjuk. Õriz eredeti J. J. Thomson-katódsugárcsövet és Lénárd-féle ablakos, kettôs csövet a müncheni Deutsches Museum is.

A Thomson-kísérlet
J. J. Thomson az elektron felfedezéséhez vezetô néhány kísérletét ismertette a cambridge-i Philosophical Society ülésén (nyomtatásban: Proceedings, vol. LX., 1897), és a Royal Institution péntek esti elôadásán Londonban 1897. április 30-án (nyomtatásban: The Electrician, 1897. május 21.). A fizikatörténészek által leggyakrabban idézett J. J. Thomson-írás a Philosophical Magazine, 44. kötetének, 5. számában jelent meg 1897-ben a 293. oldaltól kezdôdôen. Itt írja le eszközeit, mérési eredményeit és helyes következtetéseit a legrészletesebben. Ezen írás alapján állítottuk össze az alábbi ismertetést.

J. J. Thomson mindenekelôtt megismételte Perrin kísérletét: néhány ezer volttal mûködtetett katódsugárcsövében mágnessel egy kis résen át elektrométerre vitte a sugarakat, s meglepôdve tapasztalta az igen nagy mennyiségû töltést: az 1,5 mF-os kondenzátort 1 másodperc alatt 20 V feszültségre tudta
tölteni, tehát az elérített elektronnyaláb 30 mA-es áramnak felelt meg.


Thomson laboratóriumában

Thomson megismételte Hertz kísérletét is, és rámutatott arra, hogy Hertz miért nem észlelte az elektronok eltérülését elektrosztatikus térben. (Ebben állt Thomson zsenialitása: meglátta a hibát a kísérleti összeállításokban, sôt mindig talált megoldást is a hiba megszüntetésére. Ugyanakkor ô maga legendásan ügyetlen volt. Említette ezt fia a Marylandi Egyetemen az apja tiszteletére tartott centenáriumi megemlékezésen (6) és Szalay Sándor is, aki Rutherford ösztöndíjasaként 1936-ban még látta a nagy J. J. Thomsont (7). Amíg a vákuum nem ért el egy megfelelô szintet, addig Thomson csövében sem térültek el az elektronok az elektromos térben, ugyanis a csôben levô ionok az eltérítô lemezekhez vándoroltak és semlegesítették azok hatását. Az ionoknak a lemezekre vándorlását azzal is bizonyította, hogy ha az eltérítô feszültséget 200 V-ig emelte, ekkor már kisüléseket észlelt a lemezek között. Megfelelô vákuum esetén azonban már két volt feszültségnél is észlelni tudta az elektronnyaláb eltérülését a csô végére kívülrôl elhelyezett skálán.

(Thomson katódsugárcsövében elôször két résen, késôbb más elrendezésben két kis lyukon vezette át az elektronokat, hogy jól definiált nyalábot kapjon. Az eltérítô lemezek 5 cm hosszúak voltak és egymástól 1,5 cm-re helyezkedtek el.) A katódsugárcsôben terjedô negatív töltéshordozók részecske jellegét azzal bizonyította, hogy megmérte azok m/e (tömeg per töltés)-hányadosának az értékét. Levezetése alapján

m/e =H2r2Q/( 2W) ,

ahol H az eltérítô mágneses tér erôssége, r az eltérülés pályasugara, Q az eltérített töltés és W az eltérített részecskék mozgási energiája. Ez utóbbit úgy mérte, hogy vasréz termoelem hômérséklet-növekedését határozta meg annak hôkapacitása és a termoelemhez csatlakoztatott galvanométer kitérésének ismeretében. A mágneses tér nagyságát az eltérítô tekercsek (Helmholtz-tekercsek) adataiból számította. Az elektronpálya sugarát csak 20%-nyi pontossággal tudta mérni a geometriai adatokból. Mindig csak 1-2 s-ig mért, hogy ne legyen jelentôs töltésveszteség a kondenzátoroknál, és ne legyen jelentôs hôveszteség a termoelemnél sem, melynek felinelegedése általában 2 oC volt.

Mért levegôben, hidrogénben, szén-dioxidban és 3 különbözô felépítésû csõben, de az m/e-érték a hibahatáron belül mindig ugyanaz volt: 0,4·10–7. (Thomson nem írta ki a mértékegységet.) Ez az érték nagyon kicsi, ezerszer kisebb, mint az elektrolízis segítségével korábban meghatározott legkisebb m/e-érték, a 10–4, amit a hidrogénionra kaptak. (Mint tudjuk, a pontosabb érték 1830 körüli.) Három eset lehetséges: a töltés sokkal nagyobb, vagy a tömeg sokkal kisebb, mint a hidrogénionnál, vagy a kettô kombinációjáról van szó. Thomson Lénárd kísérleteire hivatkozva azonos töltésnagyságot feltételezve a sokkal kisebb tömeg mellett érvelt. Késõbb sok méréssel bizonyították, hogy az elektron töltése valóban megegyezik a hidrogénion töltésének nagyságával.

A leghíresebb, döntô méréssorozatot Millikan végezte az 1910-es években, amikor sikerült neki úgyszólván egyetlen (gyakorlatilag 5-10) elektron töltését megmérni (8). Thomson és Lénárd már 1899-ben kimutatta, hogy az elektromosság "hordozóira" ugyanaz az m/e-érték adódik, akár elektrolízissel, akár fotoelektromos hatással hozzák azt létre. A töltéssel rendelkezô anyagnak tehát egy univerzális, új formáját találta meg, az elektront.

Maga Thomson nem szerette az elektron szót. Az általa használt kifejezések: negatív töltésû részecskék ("negatively electrified particles"), hordozók (carriers), az elektromosság hordozói a katódsugárban (the carriers of the electricity in the cathode rays). Fitzgerald az Electrician 1897. május 21-ei számában, ahol Thomson elôadását is publikálták, határozottan kimondta: "Ezekben a katódsugarakban szabad elektronokkal van dolgunk." ("We are dealing with free electrons in these cathode rays.") Ennek ellenére sokáig az ion szót haszná(ták az elektronra is, és csak 1900 után terjedt el az elektron elnevezés.

Az általánosan Thomson-kísérletként ismert elrendezésnél a beépített elektrosztatikus eltérítô lemezek hossza és a kívülrõl elhelyezett két eltérítõ tekercs átmérôje megegyezett. Thomson a feszültség- és áramértékeket úgy választotta, hogy az elektromos és mágneses tér által létrehozott eltérülés szöge, a f és a q egymással azonos legyen. Ekkor Thomson betûivel:

m/e=H2/(Fq),

ahol H a mágneses indukcióvektor (tipikus értéke a méréseknél 6 gauss), F az elektromos térerôsség (mint írtuk, tipikus értéke Thomsonnál 150 V/cm) és q egyedül az elektromos tér által létrehozott eltérülés. Ugyanezen jelölésekkel a katódsugarat alkotó részecskék sebessége (a f = q összefüggés miatt): v = F/H. Ennek értéke 107 m/s nagyságrendû. J. J. Thomson már korábban, 1894-ben is megmérte a katódsugarak sebességét forgótükrös módszerrel, ekkor 1,9·105 m/s értéket kapott, ami lényegesen kisebb a fénysebességnél, tehát megerôsítette ôt abban a tudatban, hogy a katódsugarakat lehetetlenség az "éter rezgéseivel", a fénnyel azonosítani. Egyetlen apróságot említünk még: hogyan mérték meg az elektromos tér által létrehozott eltérülést a katódsugárcsô végénél elhelyezett skálán. A szobában sötétnek kellett lenni, hogy látni lehessen a foszforeszkáló pontot a csövön. Egy tût lumineszkáló festékkel vontak be és csavar segítségével ráállították a csövön megjelenô fénylô pontra. Világosban leolvasták, hogy mit mutat a tû vége a skálán.

Elvitathatatlan J. J. Thomson érdeme. Rendkívül körültekintôen, viszonylag pontosan mért, jó elektronmodellt alkotott, és elképzeléseinek jóságát további pontos kísérletekkel bizonyította.

A teljességhez hozzátartozik, hogy a fizikai szakirodalomban az m/e helyett annak reciprok értéke honosodott meg; az e/m, amit fajlagos (a tömegegységre vonatkoztatott) töltésnek nevezünk. Az elektron fajlagos töltésének mérésével, majd szisztematikus vizsgálatával felvetôdött az a probléma is, hogy mennyire függ ez az érték az elektron sebességétôl. Egyre nagyobb gyorsító feszültségek alkalmazásával elért nagyobb és nagyobb sebességeknél megjelent a tömeg sebességfüggése. Ez a jelenség úgyszólván elôlegezte a speciális relativitáselmélet egyik korai kísérleti bizonyítékát. Az elektron mozgásának tanulmányozása külsô eredetû, megfelelôen elrendezett elektromos és mágneses erôterekben eleinte az elektron, az elsô nagyobb sebességgel mozgatható elektromos töltés tulajdonságainak leleplezését szolgálta. Késõbb azonban a 20. század részecskefizikai nehéztüzérségének, a másfajta töltött részecskéket is gyorsító berendezéseknek a megalkotását is lehetôvé tette, az elektronmikroszkóptól egyes gyógyító sugarak forrásain át akár a raktározó gyûrûkig és nyalábütköztetôkig.

A gravitációs kölcsönhatástól olyannyira különbözô, ám emberi ipari tevékenységben oly gyorsan hasznosítható elektromágneses kölcsönhatásnak leleplezett hordozói, a nehezebb ionok és a lepkekönnyû elektron megismerése nyomán a fizika kvantummechanikai, relativisztikus és elektronikai forradalma bontakozott ki. Ezért van az elektronnak olyan nagy jelentôsége.

Irodalom
1. Hoppe: Geschichte der Physik, 1926
2. A. Brachner et al.: Atom-, Kern-, Elementarteichenphysik, Deutches Museum, 1987
3. Heller Ágost: A physika története a XIX. században, II., Budapest, 1902.
4. J. J. Thomson: Recollections and Reflections; London, Macmillan; 1937.
5. I. J. Falconer. Apparatus from the Cavendish Museum, Cambridge, 1980
6. G. P. Thomson: J: J. Thomson and the discovery of the Electron, Physics Today, 1958. aug.
7. Szalay, S.. Ki volt az öreg "J. J."? Fizikai Szemle 35. p. 361. (1985)
8. Millikan: The isolatuon of an ion... Physical Review Vol. 32. 1921. p. 349–397.
9 A Kniest–J. Seibert: Strahlung im Äther. Blick in die Laborbücher des Physikers Philipp Lenard. Kultur und Technik; Zeitschrift des Deutsches Museum, 1995. 34–38.


Vissza http://www.kfki.hu/chemonet/
http://www.chemonet.hu/