Joseph John Thomson
 (18561940)

Katódsugarak

 Philosophical Magazine, 44, 293 (1897)

 in: Mary Jo Nye: The Question of the Atom (Los Angeles: Tomash, 1984)



A jelen dolgozatban tárgyalt kísérleteket* abban a reményben végeztem el, hogy hozzásegítenek a katódsugarak természetének megismeréséhez. Ezekrõl a sugarakról igen eltérõen vélekednek; a német fizikusok szinte egybehangzó véleménye szerint olyan folyamat nyomán keletkeznek az éterben, amelyhez amennyiben az egyenletes mágneses térben a pályájuk nem egyenes, hanem kör alakú az eddig megfigyelt jelenségek egyike sem hasonlít: egy másik elképzelés szerint ezek a sugarak egyáltalán nem éteriek, hanem anyagiak, és negatív töltésû anyagi részecskék útvonalát jelzik. Elsõ pillantásra úgy tûnik, hogy nem okozhat nehézséget két ilyen különbözõ elképzelés között dönteni, a tapasztalat szerint azonban nem ez a helyzet, mert azok között a fizikusok között, akik a legelmélyültebben tanulmányozzák a témát, mindkét elméletnek vannak támogatói.

Az elektromos töltésû részecske elmélete a kutatás szempontjából sokkal elõnyösebb az éteres elméletnél, mert határozott és következményei megjósolhatók; az éteres elmélettel nem jósolható meg, mi történhet adott körülmények esetén, hiszen olyan éteri jelenségekkel foglalkozunk az elmélet alapján, amelyeket eleddig nem észleltünk és törvényeit nem ismerjük.

A következõ kísérletekkel az elektromos töltésû részecske elméletének néhány következményét vizsgáltam.
 


A katósugarakkal hordozott töltés

Ha ezek a sugarak negatív elektromos töltésû részecskék, zárt térbe lépve negatív elektromos töltést kell bevinniük. Perrin ezt be is bizonyította, amikor egy sík katód elé két, egymástól elszigetelt koaxiális fémhengert helyezett: a külsõ hengert leföldelte, a belsõt aranylemezes elektroszkóphoz kötötte. A két henger egy-egy kis lyuk kivételével le volt zárva; ezek a lyukak úgy helyezkedtek el, hogy a katódsugarak behatolhassanak a belsõ hengerbe. Perrin azt tapasztalta, hogy amikor a sugarak bejutottak a belsõ hengerbe, az elektroszkóp negatív elektromos töltést kapott, de ha a sugarakat úgy térítette el egy mágnessel, hogy ne hatolhassanak át a lyukakon, nem került töltés az elektroszkópra.

Ez a kísérlet azt bizonyítja, hogy a katódból olyan valami lövell ki, ami negatív elektromos töltésû, a katódra merõlegesen halad és a mágnes eltéríti; a kísérlet azonban nem bizonyítja vethetõ fel ellene , hogy az elektroszkópbeli elektromos töltés megjelenésének köze van a katósugarakhoz. Mármost az éteres elmélet hívei nem tagadják, hogy a katódból elektromos töltésû részecskék lövellnek ki; azt azonban tagadják, hogy ezeknek a töltött részecskéknek több közük lenne a katódsugarakhoz, mint a puskagolyónak a puska elsütésekor felvillanó fényhez. Ezért Perrin kísérletét olyan formában ismételtem meg, amely elhárítja ezt az ellenvetést. Az elrendezés a következõ volt. Egy kisülési csõhöz csatlakoztatott burába két, résekkel ellátott koaxiális hengert tettünk (1. ábra); az A katódból származó katódsugarak azon a résen át jutnak el a burába, amelyik a csõ nyakába illesztett fémdugóban van; ez a dugó az anódhoz csatlakozik és le van földelve. A katódsugarak így csak akkor esnek a hengerekre, ha mágnessel eltérítjük õket. A külsõ henger le van földelve, a belsõ az elektrométerhez van kötve. Amikor a katódsugarak (amelyeknek az útvonalát az üvegen jelentkezõ foszforenciával követtük nyomon) nem estek a résre, az elektrométerhez jutó elektromos töltés kicsi és szabálytalan volt, ha a sugarakat keltõ indukciós tekercset mûködésbe hoztuk; amikor azonban a sugarakat egy mágnessel elhajlítottuk, hogy a résre essenek, nagy negatív elektromos töltés került az elektrométerre. Meg is lepõdtem ennek a töltésnek a nagyságán; idõnként annyi negatív elektromosság haladt át a keskeny résen a belsõ hengerbe egy másodperc alatt, hogy az 1,5 mikrofarados kondenzátor feszültsége 20 volttal megváltozott. Ha a sugarakat a mágnes annyira elhajlította, hogy a hengerek réseit már elkerülték, a hengerbe jutó töltés megint csak nagyon kis hányada volt annak az értéknek, amelyet a pontos célzáskor kaptunk. Ez a kísérlet tehát azt mutatja, hogy bármennyire fordítjuk is el vagy térítjük is el a katódsugarakat a mágneses erõkkel, a negatív elektromos töltés ugyanazt a pályát követi, mint a katódsugarak, és ez a negatív elektromos töltés elválaszthatatlanul kötõdik a katódsugarakhoz.


1. ábra

...

A katódsugarak eltérítése elektrosztatikus térrel

Azt a felfogást, hogy a katódsugarak negatív elektromos töltésû részecskék, gyakran támadják azzal, hogy eleddig nem figyelték meg a sugarak eltérülését kis elektrosztatikus tér hatására, és bár a sugarak eltérülnek, ha olyan elektródok mellett haladnak el, amelyek nagy feszültségû forráshoz, például indukciós tekercsekhez vagy elektromos gépekhez vannak csatlakoztatva, az éteres elmélet hívei az eltérülést ebben az esetben nem elsõsorban az elektrosztatikus térre, hanem az elektródok közötti kisülésre és vezetik vissza. Hertz a kisülési csõben két párhuzamos fémlemez közé terelte a sugarakat, de azt tapasztalta, hogy nem térültek el, ha a lemezeket akkumulátorokhoz csatlakoztatta; a kísérletet megismételve elõször ugyanazt az eredményt kaptam, de az egymás utáni kísérletek megmutatták, hogy a sugarak azért nem térülnek el, mert vezetõvé teszik a ritkított gázt. A vezetõképesség amint a mérések mutatták nagyon gyorsan csökkent a légritkítás elõrehaladtával; úgy tûnt tehát, hogy ha nagyon nagy légritkítás esetén ismételjük meg a Hertz-kísérletet, kimutathatjuk, hogy az elektrosztatikus erõ eltéríti a katódsugarakat.

A berendezést a 2. ábra vázolja.


2. ábra

A C katódból kilépõ sugarak áthaladnak az A anódba vágott résen; az anód olyan fémdugó, amely szorosan illeszkedik a csõbe és le van földelve; a sugarak egy másik, leföldelt B fémdugó résén áthaladva két párhuzamos, 5 cm hosszú és 2 cm széles, egymástól 1,5 cm távolságra levõ alumíniumlemezen haladnak át; majd a csõ végére esnek, és egy keskeny, jól definiált foszforeszkáló foltot hoznak létre. A csõ külsejére ragasztott skála szolgál a folt eltérülésének mérésére. Nagy légritkítás esetén a sugarak eltérültek, ha a két alumíniumlemezt egy kis akkumulátor sarkaival kötöttük össze; a sugarak lefelé térültek el, amikor a felsõ lemezt az akkumulátor negatív pólusára és az alsót a pozitív pólusára kötöttük, és felfelé, amikor a felsõ lemezt a pozitív, az alsót a negatív pólussal kötöttük össze. Az eltérülés arányos volt a lemezek közötti potenciálkülönbséggel, és már kétvoltos potenciálkülönbség esetén is ki tudtam mutatni az eltérítést.

...

Mivel a katódsugarak negatív elektromos töltést hordoznak, az elektrosztatikus erõ hatására úgy térülnek el, mintha negatív elektromos töltésûek lennének, és a mágneses erõ úgy hat rájuk, mintha olyan negatív elektromos töltésû testre hatna, amely ezeknek a sugaraknak a pályáján mozog: csak arra tudok következtetni, hogy ezek olyan negatív elektromos töltések, amelyeket anyagi részecskék hordoznak. Ekkor rögtön felvetõdik az a kérdés, hogy "Mik ezek a részecskék? Atomok vagy molekulák, vagy az anyag még finomabb részekre osztásával keletkeztek?" Hogy tisztábban lássak, olyan mérési sorozatot végeztem, amelynek során meghatároztam a részecskék tömegének és az általuk hordozott töltésnek az arányát. A mennyiség megállapítására két független módszert használtam. Az elsõ a következõ volt.

Tekintsünk egy homogén katódsugár-nyalábot. Legyen minden egyes részecske tömege m, az általa szállított töltés e. Legyen a nyaláb tetszõleges metszetén adott idõ áthaladó részecskék száma N: ekkor a részecskék által szállított Q töltésmennyiséget a következõ egyenlet adja meg:

     Ne = Q.

Q-t megmérhetjük, ha a katódsugarakat olyan edény belsejében fogjuk fel, amelyet elektrométerrel kötöttünk össze. Ha ezek a sugarak szilárd testbe ütköznek, a test hõmérséklete megnõ; a mozgó részecskék kinetikus energiája hõvé alakul át; ha feltesszük, hogy mindez az energia hõvé alakul át, akkor ha megmérjük, hogy egy ismert hõkapacitású test hõmérséklete mennyit emelkedik a beleütközõ sugarak hatására, meghatározhatjuk W-t, a részecskék kinetikus energiáját, és ha v a részecskék sebessége,

.

Ha H egyenletes mágneses térben a részecskék pályájának görbülete r, akkor

ahol I a rövidség kedvéért áll a Hr helyett. Ezekbõl az egyenletekbõl azt kapjuk, hogy

Tehát ha ismerjük a Q, W és I értékeket, kiszámíthatjuk v és m/e érétékét.

 ...

Mielõtt a mérések eredményeinek elemzésébe kezdenék, egy másik módszert is ismertetek az m/e és a v mennyiségek mérésére, amely teljesen különbözik az elõzõtõl; ez a módszer a katódsugarak elektromos térben lejátszódó eltérülésén alapszik. Ha egyenletes elektromos térben, adott szakasz megtételekor megmérjük a sugarak eltérülését, majd egyenletes mágneses térben, adott szakasz megtételekor is megmérjük a sugarak eltérülését, a következõképpen kaphatjuk m/e és v érétékét.

Tegyenek meg a sugarak az F egyenletes elektromos intenzitás hatása alatt l távolságot, ehhez l/v idõre van szükségük, ezért az F irányban a sebességük

így azt a q szöget, amellyel a sugarak eltérülnek, amikor elhagyják az elektromos teret, és elektromos erõtõl mentes tartományba jutnak, a

egyenlet adja meg. Ha a sugrakra nem elektromos erõ, hanem H mágneses indukció hat derékszögben,  és a sugarak I távolságot tesznek meg, a sugarak eredeti pályájára merõleges sebesség

így azt a f szöget, amellyel a sugarak a mágneses tér elhagyásakor térülnek el, a következõ egyenlet adja meg:

 .

Ezekbõl az egyenletekbõl azt kapjuk, hogy

és

.

A kísérletek során H-t úgy választottuk meg, hogy f=q legyen; ebben az esetben az egyenletek a következõ alakot öltik:

A v és az m/e mérésére szolgáló berendezést a 2. ábra mutatja be. Az elektromos teret úgy állítottuk elõ, hogy a két alumíniumlemezt akkumulátorok sarkaihoz kapcsoltuk. A csõ végén a foszforeszkáló folt eltérült, s az eltérülést a csõ végére ragasztott skálával mértük. Mivel a foszforeszkáló folt észleléséhez el kellett sötétíteni a szobát, fénylõ festékkel bevont tût használtunk, amelyet egy csavarral tudtunk emelni és süllyeszteni a skála mentén; a tû látható volt az elsötétített szobában, és addig mozgattuk, amíg egybe nem esett a foszforeszkáló folttal. Amikor fényt engedtünk a szobába, le tudtuk olvasni a foszforeszkáló folt eltérülését.

...

Ezekbõl a meghatározásokból látjuk, hogy m/e értéke független a gáz természetétõl, s ez az érték, 107, nagyon kicsi a 104-hez, az eddig ismert legkisebb m/e-értékhez képest, amelyet hidrogénionra állapítottak meg az elektrolízis során.

Tehát a katódsugarakban az elektromosság hordozóinak m/e értéke nagyon kicsi az elektrolízis során mért értékhez képest. Az m/e úgy lehet kicsi, hogy az m kicsi, vagy az e nagy, vagy mindkét ok fennáll. Azt, hogy a katódsugarakban a töltéshordozók kicsik a közönséges molekulákhoz képest, úgy gondolom, Lenard eredményei mutatják meg: ezek arra a sebességre vonatkoznak, amellyel a sugarak nyomán keletkezõ foszforencia fényessége csökken a sugarak által megtett út függvényében. Ha abból indulunk ki, hogy ezt a foszforenciát a töltött részecskék ütközése kelti, az a távolság, amelyet a sugaraknak meg kell tenniük, mielõtt a foszforencia az eredeti intenzitás adott hányadára csökkenne (péládul 1/e-re, ahol e=2,71), a közepes szabad úthossz valamely mérsékelt többszöröse. Mármost Lenard azt találta, hogy ez a távolság csak a közeg sûrûségétõl függ, a kémiai természetétõl vagy a fizikai állapotától nem. Légköri nyomáson, a levegõben ez a távolság kb. fél centiméter, s összemérhetõnek kell lennie a hordozók levegõbeli közepes szabad úthosszával, légköri nyomáson. De a levegõ molekuláinak közepes szabad úthosszának nagyságrendje egészen más. Ezért a hordozónak kicsinek kell lennie a közönséges molekulákhoz képest.

Ezekkel a hordozókkal kapcsolatban két dolgot látok alapvetõnek: 1) ezek a hordozók ugyanazok, bármilyen gázban játszódjon is le a kisülés, 2) a közepes szabad úthossz semmi mástól nem függ, mint annak a közegnek a sûrûségétõl, amelyet ezek a sugarak átszelnek.

...

A megfigyelések legegyszerûbb és legközvetlenebb magyarázata véleményem szerint a kémiai elemek felépítésének azon az elképzelésén alapszik, amelyet sok kémikus vall szerencsésen magáénak: eszerint a különbözõ kémiai elemek atomjai ugyanannak az atomnak a különbözõ aggregátumai. Prout hipotézise szerint a különbözõ elemek atomjai hidrogénatomok; ebben a formában ez a hipotézis nem tartható fenn, de ha a hidrogént valamilyen ismeretlen, elsõdleges X anyaggal helyettesítjük, ismereteink szerint semmi sem lenne inkonzisztens ezzel a hipotézissel, melyet nemrégiben támasztott alá Sir Norman Lockyer a csillagok spektrumának vizsgálata alapján.

Ha a szomszédos katód nagyon erõs elektromos terében a gázmolekulák disszociálnak, és nem a közönséges kémiai atomokra esnek szét, hanem ezekre az elsõdleges atomokra, amelyeket a rövidség kedvéért korpuszkuláknak nevezünk, és ha ezek a korpuszkulák elektromosan töltöttek és az elektromos tér hatására kirepülnek a katódból, pontosan úgy viselkednének, mint a katódsugarak. Nyilvánvalóan olyan m/e értékkel rendelkeznének, amely független a gáz természetétõl és nyomásától, mert a töltéshordozók a gáztól függetlenül ugyanazok; ezeknek a korpuszkuláknak a közepes szabad úthossza szintén csak annak a közegnek a sûrûségétõl függne, amelyen a korpuszkulák áthaladnak. A közeg molekulái számos ilyen korpuszkulából állnak, amelyeket jelentõs távolságok választanak el egymástól; mármost a korpuszkula és a molekula közötti ütközés nem a kopuszkula és a molekula mint egész, hanem a korpuszkula és a molekulát alkotó egyedi korpuszkulák között játszódik le; így a molekulák tömkelegén áthaladva a részecske ütközéseinek száma nem a molekulák, hanem az egyedi korpuszkulák számával arányos. A közepes szabad úthossz fordítottan arányos az idõegységre esõ ütközések számával, ezért fordítottan arányos a térfogategységben levõ korpuszkulák számával; mármost, mivel ezek a korpuszkulák mind azonos tömegûek, a térfogategységben levõ korpuszkulák száma arányos a térfogategység tömegével, tehát a közepes szabad úthossz fordítottan arányos a gáz sûrûségével. Azt is látjuk, hogy amíg a szomszédos korpuszkulák közötti távolság nagy a korpuszkula lineáris méretéhez képest, a közepes szabad úthossz független a korpuszkulák elrendezésétõl, feltéve, hogy a térfogategységben levõ részecskék száma állandó, tehát a közepes szabad úthossz csak annak a közegnek a sûrûségétõl függ, amelyen a korpuszkulák áthatolnak, s nem függ a kémiai természettõl és a fizikai állapottól: a katódsugarak töltéshordozóinak Lenard igen figyelemreméltó vizsgálatai nyomán, amelyek a katódsugarak különbözõ közegekben lejátszódó abszorpcióját mérték ezzel a tulajdonsággal kell rendelkezniük.

Ennek alapján a katódsugarakban az anyag új állapotban van jelen, ebben az állapotban az anyag részekre osztása sokkal tovább megy, mint a közönséges gázállapotban: ebben az állapotban az anyag vagyis a hidrogéntõl, oxigéntõl stb. eltérõ forrásból származó anyag egy és ugyanaz; ez az anyag az a szubsztancia, amelybõl az összes kémiai elem felépül.

 _____________________________

*Néhány kísérletet már leírtam abban a dolgozatban, amelyet a Cambridge Philosophical Society elõtt (Proceedings, ix. kötet, 1897) és a Royal Institution egyik péntek esti elõadásán olvastam fel (Electrician, 1897, május 21.).
 


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