Twoja wyszukiwarka

ANDRZEJ KAJETAN WRÓBLEWSKI
DŁUGIE NARODZINY ELEKTRONU
Wiedza i Życie nr 5/1998
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 5/1998

STWIERDZENIE, ŻE JOSEPH JOHN THOMSON ODKRYŁ ELEKTRON W 1897 ROKU, JEST CO NAJMNIEJ WIELKIM UPROSZCZENIEM I W RZECZYWISTOŚCI ZAWIERA WIĘCEJ FAŁSZU NIŻ PRAWDY.

Kiedy dziś mówimy: elektron, mamy na myśli jedną z fundamentalnych cząstek elementarnych, składnik atomu obdarzony elementarnym ładunkiem elektrycznym znaku ujemnego, występujący w atomie każdego pierwiastka w liczbie dokładnie takiej jak jego liczba porządkowa w układzie periodycznym, a więc równej dodatniemu ładunkowi jądra atomowego. Przekonanie o istnieniu takiego elektronu nie zrodziło się nagle, lecz torowało sobie drogę w fizyce przez kilkadziesiąt lat. Trudno zrozumieć wszystkie okoliczności, które towarzyszyły utrwaleniu się pojęcia elektronu, bez oparcia się na oryginalnych tekstach z tamtego okresu.

ELEKTRON STONEYA I HELMHOLTZA

Masa substancji wydzielanej podczas elektrolizy jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego przenoszonego między elektrodami. To ilościowe prawo odkryte eksperymentalnie przez Michaela Faradaya nasuwało od dawna myśl o ziarnistości elektryczności.

Sławny uczony niemiecki Hermann Helmholtz w wykładzie im. Faradaya wygłoszonym w Londynie w 1881 roku stwierdził: Najbardziej zdumiewający wniosek z prawa Faradaya jest następujący. Jeżeli zaakceptujemy hipotezę, że elementarne substancje są złożone z atomów, to nie możemy uniknąć konkluzji, iż także elektryczność, zarówno dodatnia, jak ujemna, jest podzielona na elementarne porcje, które zachowują się jak atomy elektryczności. Sława Helmholtza sprawiła, że treść jego wykładu była powszechnie znana i często cytowana, a w literaturze niemieckiej wartość ładunku elementarnego nazywano nawet czasem "elementarnym kwantem Helmholtza".

Ryc. 1. George Johnstone Stoney (1826-1911), ojciec chrzestny elektronu

Kilka lat wcześniej, w 1874 roku, fizyk irlandzki George Johnstone Stoney (ryc. 1) pierwszy podjął próbę oceny elementarnej porcji elektryczności, występującej w procesie elektrolizy. Wartość ładunku elementarnego, obliczona przez Stoneya, była około 20 razy mniejsza od obecnie przyjmowanej. W 1891 roku Stoney nazwał tę elementarną porcję elektryczności "elektronem". Podobno w ten sposób chciał zrobić przyjemność pewnej młodej kobiecie o imieniu Amber ("amber" to po angielsku bursztyn, którego grecka nazwa to właśnie "elektron". Nazwa "elektryczność" pochodzi od znanych już w starożytności efektów przyciągania innych ciał przez potarty o sukno bursztyn).

Spośród badaczy promieni katodowych Cromwell Fleetwood Varley przypuszczalnie pierwszy sformułował w 1871 roku hipotezę, że są to drobne naładowane cząstki materii wyrzucane z katody. Kierunek odchylenia w polu magnetycznym wskazywał na ich ujemny ładunek. Korpuskularną hipotezę promieni katodowych podtrzymywał także William Crookes, który sądził, że jest to nowy stan skupienia materii - nazwany przez niego materią promienistą.

Wielkim ciosem dla hipotezy korpuskularnej były wyniki doświadczeń Heinricha Hertza, który bez powodzenia próbował sprawdzić, czy pole elektryczne odchyla promienie katodowe. Wiemy obecnie, że przyczyną niepowodzenia eksperymentów Hertza była zbyt słaba próżnia w jego rurkach, co sprawiało, że pozostałości gazu skutecznie ekranowały promienie katodowe od przyłożonego pola zewnętrznego. Wówczas jednak niemal wszyscy fizycy niemieccy uznali, że promienie katodowe to rodzaj światła rozprzestrzeniającego się w eterze. Odchylenie promieni katodowych w polu magnetycznym interpretowano jako wynik gwałtownej zmiany współczynnika załamania w resztkach gazu w bliskim sąsiedztwie magnesu. Ta promienista teoria promieni katodowych zdawała się uzyskiwać kolejne potwierdzenie, kiedy Philip Lenard wykazał, iż mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe. Wydawało się wtedy niemożliwe, by materia mogła być "przezroczysta" dla obiektów materialnych.

Ryc. 2. Emil Wiechert pierwszy publicznie sformułował hipotezę o istnieniu naładowanych cząstek subatomowych

Do wyjątków wśród fizyków niemieckich należał Emil Wiechert (ryc. 2), który uważał promienie katodowe za cząstki naładowane. Przyjmując założenie, że ładunek tych cząstek jest dokładnie równy "elektronowi" Stoneya, wyznaczył na podstawie odchylenia w polu magnetycznym stosunek e/m, ich ładunku do masy. Podczas wykładu w Uniwersytecie w Królewcu 7 stycznia 1897 roku ogłosił, że jest on dużo większy niż dla jonów wodoru podczas elektrolizy. Wiechert konkludował, iż promienie katodowe są cząstkami o masie 2000-4000 razy mniejszej od atomu wodoru, nie mogą być więc to atomy znane z chemii. Sądził, że są one czymś w rodzaju niezależnych od atomów ciał elektrycznych postulowanych przez Helmholtza.

To właśnie podczas tego wystąpienia Wiechert jako pierwszy jasno sformułował hipotezę o istnieniu cząstek subatomowych i podał granice wartości ich masy. Trzeba jednak podkreślić, że wynik Wiecherta nie był wyłącznie wynikiem pomiaru, ale opierał się na założeniu, iż ładunek ich jest równy "elektronowi" Stoneya.

W kwietniu 1897 roku inny fizyk niemiecki, Walter Kaufmann z Uniwersytetu Berlińskiego, także wykonał pomiary stosunku e/m dla promieni katodowych. W swej publikacji napisał, że gdyby przyjąć najprostszą interpretację promieni jako jonów podobnych do tych, które występują podczas elektrolizy, to, po pierwsze, stosunek e/m powinien zależeć od rodzaju resztek gazu w rurze, a, po drugie, być podobnego rzędu, co dla jonu wodorowego. Tymczasem z jego pomiarów wynikało, że stosunek ten jest stały oraz około tysiąca razy większy niż można było oczekiwać. Ostateczny wniosek Kaufmanna brzmiał: hipoteza promieni katodowych jako cząstek nie jest zadowalającym wytłumaczeniem dla obserwowanych regularności. Kaufmannowi, wyznawcy poglądu przeważającego wśród fizyków niemieckich, zabrakło więc odwagi, którą wykazał Joseph John Thomson przy interpretacji swoich doświadczeń.

ELEKTRON LORENTZA

W 1892 roku fizyk holenderski Hendrik Anton Lorentz (ryc. 3) ogłosił pracę Elektromagnetyczna teoria Maxwella i jej zastosowanie do ciał w ruchu, w której wysunął pomysł wprowadzenia dyskretnej struktury elektryczności do równań Maxwella. Założył, po pierwsze, istnienie eteru jako niezmiennego dielektryka bez ruchów wewnętrznych i nie poddanego siłom mechanicznym, oraz, po drugie, substancji złożonej wyłącznie z elementarnych cząstek elektryczności ujemnej lub dodatniej. Naładowane ciało ma według Lorentza nadmiar ładunków jakiegoś znaku. Pole elektromagnetyczne obserwowane przez przyrządy makroskopowe jest wynikiem nałożenia statystycznego pól elementarnych wytworzonych przez oddzielne cząstki naładowane. Prawa pól mikroskopowych Lorentza po uśrednieniu dają pole makroskopowe, które jest opisywane przez prawa Maxwella.

Ryc. 3. Hendrik Anton Lorentz - twórca "elektronowej" teorii materii

Teoria Lorentza to teoria "elektronowa", w której zjawiska elektrodynamiczne przypisane zostały poruszającym się ładunkom elektrycznym, podlegającym w polu magnetycznym działaniom sił zależnym od prędkości. Już znacznie wcześniej niemiecki fizyk Wilhelm Weber zaproponował teorię zjawisk elektrycznych opartą na założeniu, że elektryczność nie jest cieczą, lecz składa się z oddzielnych ładunków obu znaków. Teoria Webera nie spełniła oczekiwań, ale dużo faktów wskazywało, iż jest to dobry kierunek poszukiwań.

Kiedy jesienią 1896 roku rodak Lorentza Pieter Zeeman odkrył w Lejdzie zjawisko rozszczepienia linii widmowych w polu magnetycznym, Lorentz mógł natychmiast podać teoretyczne wyjaśnienie tego zjawiska w ramach swej teorii "elektronowej". Przyjmując to wyjaśnienie, Zeeman obliczył na podstawie obserwowanego rozszczepienia stosunek e/m dla postulowanych "jonów" i ze zdziwieniem stwierdził, że jest około tysiąca razy większy od mierzonego podczas elektrolizy. Ta wartość została opublikowana 28 listopada 1896 roku, a więc jeszcze przed ogłoszeniem wyników Wiecherta. Zeeman jednak nie drążył tego zagadnienia, uznając, iż widocznie "jony" Lorentza są inne od jonów elektrolitycznych.

Dodajmy dla ścisłości, że w 1892 roku Lorentz używał po prostu sformułowania "cząstki naładowane", w 1895 roku zmienił tę nazwę na "jony", a dopiero od 1899 roku zaczął o nich mówić jako o "elektronach".

Zacytujmy wyjątek z wykładów Lorentza (1902 rok), w których wyjaśnia podstawy swej teorii:

Zróbmy założenie, że w każdego rodzaju materii są obecne nadzwyczaj drobne cząsteczki, których jedna połowa posiada niezmiennie ładunki dodatnie, druga zaś tak samo ładunki ujemne... Owe drobniutkie cząsteczki, o których jest mowa, mają być najmniejsze z pośród tych, którymi zajmują się nauki przyrodnicze, mniejsze od cząsteczek (molekuł) i atomów samych... Nadajmy cząsteczkom tym, zarówno ujemnym, jak i dodatnim wspólne miano "elektronów", odróżniając je przymiotnikami "ujemny" i "dodatni". Przypuśćmy dalej, że te elektryczne cząsteczki - elektrony - rozpowszechnione są we wszystkich ciałach, że żadna nawet najmniejsza cząsteczka ważkiej materii nie jest od nich wolna, że ilość ich w każdym ciele jest prawie niezliczona i że wreszcie, skoro jakieś ciało nie wykazuje objawów elektrycznych, posiada oba rodzaje elektronów w tej samej ilości. Przeciwnie zaś eter wyłączmy z pod panowania elektronów. Ma on pozostać jedynie środowiskiem (medium), które pośredniczy we wszystkich oddziaływaniach pomiędzy elektrycznie naładowanymi cząsteczkami. Należy mu jednak przypisać zgoła odmienne własności.(...) Elektron w otaczającym go eterze wytwarza pewne zmiany stanu - zmiany określone wielkością jego ładunku i zależne także od ruchu samego elektronu. W tych zmianach stanu eteru tkwi istota wszelkich oddziaływań elektronu na sąsiednie cząstki. Zmiany te są wyrazem tego, co się dzieje w eterze dokoła ciał naelektryzowanych i magnesów. Drgający elektron będzie więc również wywoływał w eterze periodyczne zmiany.

KORPUSKUŁY THOMSONA

Joseph John Thomson (ryc. 4) przedstawił wyniki swoich badań promieni katodowych podczas wystąpienia w londyńskiej Royal Institution 30 kwietnia 1897 roku. Zostały one opublikowane najpierw w skróconej formie w czasopiśmie "The Electrician" w maju, a w pełnej wersji w październiku 1896 roku w prestiżowym "Philosophical Magazine". Thomson opisuje kolejno swój pomiar ładunku niesionego przez promienie katodowe (było to ulepszenie pomiaru Jeana Perrina z 1895 roku), odchylenie promieni katodowych w polu elektrycznym (Thomsonowi udało się wykryć i zmierzyć to zjawisko, w odróżnieniu od negatywnego wyniku doświadczenia Hertza z 1883 roku), przewodnictwo gazu, przez który przechodzą promienie katodowe, pomiar odchylenia magnetycznego promieni katodowych w różnych gazach, wyznaczenie prędkości promieni katodowych i doświadczenia z elektrodami z różnych materiałów. Pomiary te zostały niedawno szczegółowo opisane [Mała wielka cząstka - "WiŻ" nr 2/1998], toteż nie będziemy tu tego powtarzać.

Ryc. 4. J.J. Thomson odkrył elektron. Liczne są książki i artykuły, w których mówi się, że dokonał tego w 1897 roku. Nie bardzo zgadzam się z tym stwierdzeniem - Abraham Pais

W odróżnieniu od Wiecherta i Kaufmanna, Thomson nie wahał się wysunąć odważnych wniosków:

Z tych wyznaczeń widzimy, że wielkość m/e nie zależy od natury gazu i że jej wartość 10-7 jest bardzo mała w porównaniu z wartością 10-4, która jest najmniejszą wielkością dotychczas znaną, dla jonu wodorowego przy elektrolizie... Mała wartość m/e może wynikać z małości m, albo z dużej wartości e, albo z kombinacji obu tych wartości (...) Wyjaśnienie, które wydaje mi się zdawać sprawę z faktów najprościej i najbardziej bezpośrednio, jest oparte na poglądzie na budowę pierwiastków chemicznych, który przychylnie przyjęło wielu chemików; pogląd ten polega na tym, że atomy różnych pierwiastków chemicznych są różnorodnymi skupiskami atomów tego samego rodzaju. W postaci, w której tę hipotezę wypowiedział Prout, atomy różnych pierwiastków byłyby atomami wodoru. W tej formie hipoteza nie da się utrzymać, ale jeśli zastąpimy wodór przez jakąś nieznaną materię pierwotną X, to nie ma faktów niezgodnych z tą hipotezą. Hipotezę tę ostatnio podtrzymywał Sir Norman Lockyer ze względu na wyniki badań widm gwiazd.

Gdyby w bardzo silnym polu elektrycznym w sąsiedztwie katody cząsteczki gazu ulegały dysocjacji i rozszczepiały nie na zwykłe atomy, lecz na te atomy pierwotne, które dla krótkości będziemy nazywali korpuskułami, i gdyby te korpuskuły były naładowane elektrycznością i wyrzucane z katody przez pole elektryczne, to zachowywałyby się dokładnie tak, jak promienie katodowe. Dawałyby one oczywiście wartość m/e niezależną od natury gazu i ciśnienia, gdyż cząstki niosące ładunek byłyby niezależne od gazu. Dalej, średnie drogi swobodne tych korpuskuł zależałyby tylko od gęstości ośrodka, który przebywają (...) Na podstawie znakomitych pomiarów Lenarda pochłaniania promieni katodowych przez różne ośrodki, taka musi być właściwość nośników ładunku w tych promieniach...

Tak więc, według tego poglądu, w promieniach katodowych mamy materię w nowym stanie, w którym podział materii nastąpił znacznie dalej niż w zwykłym stanie gazowym, w stanie, w którym wszelka materia, to jest materia pochodząca z różnych źródeł, jak wodór, tlen itp. - jest jednego i tego samego rodzaju. Ta materia jest substancją, z której są zbudowane wszystkie pierwiastki chemiczne...

Przy użyciu przyrządów zwykłej wielkości ilość materii wytworzonej wskutek dysocjacji na katodzie jest tak mała, że niemal wyklucza możliwość jakiegokolwiek badania chemicznego jej właściwości. Tak więc, cewka, której używałem, działając nieprzerwanie dzień i noc przez cały rok, wytworzyłaby zaledwie około jednej trzymilionowej części grama tej substancji...

ILE JEST ELEKTRONÓW?

Dziś nie pamiętamy już, że Thomson, który w swoich "korpuskułach" upatrywał części atomów, miał trudne zadanie znalezienia odpowiedzi na wiele ważnych pytań: Ile jest korpuskuł w atomie? Od czego zależy ich liczba? Jak korpuskuły są ułożone w atomie, jak oddziałują z sobą i z ładunkiem (ładunkami) dodatnim, który sprawia, że atom jako całość jest elektrycznie neutralny? Jakie właściwości korpuskuł w atomach mogą tłumaczyć okresowość układu pierwiastków i naturę wiązań chemicznych, zjawisko promieniotwórczości i prawidłowości linii widmowych?

Ówczesne poglądy na strukturę materii daleko odbiegały od obecnych i dlatego w obecnych omówieniach pracy Thomsona skrzętnie pomija się milczeniem ostatnią jej część, w której autor przedstawiał te zagadnienia i zarysował próbę ich badania. Takie postępowanie wypacza historię i utrudnia zrozumienie ewolucji pojęć fizycznych.

W końcu XIX stulecia przyjmowano dość powszechnie model atomów wirowych zaproponowany przez Kelvina [patrz ramka]. Wprowadzenie naładowanych elektrycznie części atomów otwierało przede wszystkim problem ich stabilności, bo wiadomo było, iż ładunek elektryczny poruszający się po torze zakrzywionym promieniuje, a więc traci energię. Atomy złożone z takich poruszających się w ich wnętrzu ładunków musiałyby więc być nietrwałe i bardzo szybko ulegać zanikowi.

Ryc. 5. Schemat doświadczenia Alfreda Mayera (wg książki J.J. Thomsona Corpuscular theory of matter z 1906 roku)

Thomson znalazł bardzo pomysłowe rozwiązanie problemu. Przypomniał mianowicie doświadczenia z pływającymi magnesami (ryc. 5), wykonane w 1878 roku przez amerykańskiego fizyka-samouka Alfreda Marshalla Mayera. Oto wyjątek z końcowej części pracy Thomsona:

Jeżeli traktujemy atom chemiczny jako zbiór atomów pierwotnych, to ze względu na związek z właściwościami pierwiastka i jego ciężarem atomowym niezwykle interesujący jest problem znalezienia konfiguracji równowagi trwałej dla liczby jednakowych cząstek działających na siebie zgodnie z jakimś prawem siły - czy to typu Boscovicha (gdzie siła między nimi jest odpychająca, jeśli są bliżej siebie niż pewna odległość krytyczna, lub przyciągają się, jeśli znajdują się w odległości większej), czy w prostszym przypadku pewnej liczby wzajemnie odpychających się cząstek, utrzymywanych razem przez siłę centralną. Niestety, złożoność równań określających stabilność takiego zbioru cząstek rośnie tak szybko ze wzrostem liczby cząstek, że nie jest możliwa ogólna analiza matematyczna problemu. Możemy jednak uzyskać pewien wgląd w ogólne prawa rządzące takimi konfiguracjami, jeśli posłużymy się modelami, z których najprostszym jest model pływających magnesów profesora Mayera. W tym modelu magnesy układają się w równowadze pod wpływem wzajemnego odpychania oraz centralną silę przyciągania przez umieszczony nad nimi biegun dużego magnesu.

Badanie kształtu tych konfiguracji magnesów sugeruje mi jakiś związek z prawem okresowości [pierwiastków]. Mayer wykazał, że jeśli liczba pływających magnesów nie przekracza 5, to układają się w wierzchołkach regularnego wielokąta - 5 w wierzchołkach pięciokąta, 4 - w rogach kwadratu itd. Kiedy jednak liczba ich przekroczy 5, to prawo to przestaje obowiązywać; tak więc 6 magnesów nie układa się w wierzchołkach sześciokąta, lecz dzieli na dwa układy: jeden magnes w środku, otoczony przez 5 w wierzchołkach pięciokąta. Przy 8 magnesach mamy 2 w środku, 18 magnesów. Potem mamy trzy układy: wewnętrzny, środkowy i zewnętrzny. Dla jeszcze większej liczby magnesów mamy 4 układy itd.

Thomson wiedział, że ładunki elektryczne tworzące zamknięte pierścienie (jak magnesy w doświadczeniu Mayera) promieniują o wiele słabiej - mimo ruchu po okręgu - niż ładunki pojedyncze. Przykładowo, w jednej z późniejszych prac obliczył, że w pierścieniu z sześciu ładunków obracającym się z prędkością równą setnej części prędkości światła promieniowanie jest zmniejszone aż o siedemnaście rzędów wielkości! To pomysłowe, aczkolwiek nieprawdziwe, wyjaśnienie trwałości atomów przekonało Thomsona, że jest na dobrej drodze w tworzeniu swojego modelu atomu jako "ciastka z rodzynkami".

Ponadto przypuszczał on, że zauważone w doświadczeniu Mayera prawidłowości w powstawaniu kolejnych pierścieni magnesów (ryc. 6) występują też w atomach, gdzie kolejne pierścienie ładunków mają związek z ustaloną przez Mendelejewa periodycznością właściwości atomów. Thomson był zdania, iż o okresowości właściwości chemicznych decyduje liczebność najbardziej wewnętrznych pierścieni korpuskuł. (Wiemy dziś, iż to sprawa elektronów z najbardziej zewnętrznych powłok w atomach).

Ryc. 6. Konfiguracje pływających magnesów w doświadczeniu Mayera (1878 rok)

W marcu 1899 roku w "Philosophical Magazine" ukazał się artykuł Williama Sutherlanda z ostrą krytyką wniosków Thomsona. To prawda, konkludował autor, że elektryczność składa się z odrębnych porcji, jak proponuje Hermann Helmholtz, ale z tego nie wynika, iż są one częściami atomów. Ta krytyka bardzo zdenerwowała Thomsona, który wysłał do redakcji dość gniewny list z dodatkowymi wyjaśnieniami, a następnie, na wspólnym zjeździe uczonych brytyjskich i francuskich w Dover, wystąpił z referatem pod tytułem: Istnienie mas mniejszych od atomu. Po raz pierwszy podał tam wyznaczoną z pomiarów wartość masy swych korpuskuł oraz ważny wniosek, że dla cząstek wyrzucanych w zjawisku fotoelektrycznym stosunek e/m jest taki sam jak dla promieni katodowych. Jego wystąpienie nie przekonało jednak większości słuchaczy.

KIEDY THOMSON STAŁ SIĘ ODKRYWCĄ ELEKTRONU?

W końcu 1899 roku zostało udowodnione doświadczalnie, że elektrony Lorentza i promienie katodowe to przypuszczalnie te same cząstki. W tymże roku zajęto się dokładnym zbadaniem właściwości promieni beta z rozpadu promieniotwórczego. W trzech laboratoriach stwierdzono odchylenie tych promieni przez pole magnetyczne, a tylko w jednym początkowo nie znaleziono tego efektu. Stosunek e/m dla promieni beta okazał się zbliżony do zmierzonego dla promieni katodowych. Po potwierdzeniu tego wyniku można było już utrzymywać, że promienie beta to elektrony Lorentza. Tylko Thomson przez wiele następnych lat uporczywie pozostawał przy swej nazwie "korpuskuły".

Na temat elektronów pisano wówczas wiele, ale nikt jeszcze wtedy nie przyznawał Thomsonowi pierwszeństwa wśród innych fizyków badających te zjawiska [patrz ramka na dole]. Wybitne zdolności eksperymentatorskie wzbudzały uznanie i przynosiły mu zaszczyty, ale przy okazji wyróżnień - na przykład kiedy w 1900 roku otrzymał doktorat honorowy Uniwersytetu Jagiellońskiego - nie padło ani słowo o elektronach.

W sierpniu 1900 roku w Paryżu odbył się Pierwszy Międzynarodowy Kongres Fizyków. Podczas obrad dyskutowano oczywiście o elektronach, ale o elektronach Lorentza, a nie korpuskułach Thomsona. On sam zresztą do Paryża nie przyjechał, przysyłając tylko tekst swej pracy o możliwościach wyznaczenia liczby korpuskuł na podstawie różnych zjawisk. Początkowo uważano, że liczba korpuskuł (elektronów) w atomach jest bardzo duża. Sądzono, iż w atomie wodoru jest ich około tysiąca, a w cięższych atomach - odpowiednio więcej [patrz ramka powyżej].

Dopiero w 1906 roku Thomson podał wyniki swej oceny liczby korpuskuł w atomie na podstawie danych o rozpraszaniu promieniowania różnych typów. Założył, że korpuskuły najbardziej zewnętrzne rozpraszają światło o częstościach optycznych, tj. w zakresie światła widzialnego. Porównanie z wyprowadzonymi przezeń wzorami powinno dawać minimalną wartość liczby korpuskuł. Dawniej wykonane badania rozpraszania światła w wodorze zdawały się świadczyć, iż liczba ta jest porównywalna z liczbą atomową pierwiastka.

Zdaniem Thomsona, promienie X i beta mogą bardziej wnikać do atomu i oddziaływać z głębiej położonymi korpuskułami. Zakładał on, że przy rozpraszaniu promieni beta korpuskuły rozpraszające można traktować jako nieruchome, toteż można stąd wnioskować o liczbie najsilniej związanych korpuskuł. Promienie X miały natomiast ulegać rozpraszaniu na korpuskułach swobodnych, toteż na podstawie wyników badań ich rozpraszania można było ocenić liczbę korpuskuł luźniej związanych. Z zestawienia wyników otrzymanych tymi metodami wynikało, że całkowita liczba korpuskuł w atomie jest tego samego rzędu, co liczba atomowa pierwiastka. Ta nowa ocena liczby lekkich składników atomu wskazywała, że większość masy atomu jest skupiona w jego części naładowanej dodatnio. Z tego właśnie powodu Thomson rozpoczął badania tzw. promieni kanalikowych, których odchylenie w polu magnetycznym wskazywało na dodatni ładunek.

Thomson zdawał sobie sprawę, że jego poglądy na strukturę atomu spotykają się z silnym oporem fizyków. We wstępie do książki Korpuskularna teoria materii wydanej w 1906 roku napisał:

Korpuskularna teoria materii z jej założeniami dotyczącymi ładunków elektrycznych i sił między nimi nie jest ani trochę tak fundamentalna jak teoria atomów wirowych materii, w której postuluje się jedynie nieściśliwy, nie wykazujący tarcia płyn obdarzony bezwładnością i zdolny do przekazywania ciśnienia. W tej teorii różnica między materią i niematerią jest różnicą między rodzajami ruchu w różnych miejscach w nieściśliwym płynie; materia - to te części płynu, w których jest ruch wirowy. Jednakże ceną za prostotę założeń teorii atomów wirowych są trudności matematyczne, które napotykamy przy jej rozwiązywaniu. Dla wielu celów teoria, której konsekwencję można łatwiej śledzić, jest bardziej pożądana od teorii bardziej fundamentalnej, ale bardziej nierozpoznanej. Będziemy jednak mieli często okazję posługiwać się analogiami, jakie istnieją między właściwościami linii sił elektrycznych w polu elektrycznym i liniami ruchu wirowego w nieściśliwym płynie.

W 1906 roku Thomson otrzymał Nagrodę Nobla z fizyki za "wielkie zasługi w teoretycznych i doświadczalnych badaniach przewodzenia elektryczności przez gazy". Nie był jeszcze wtedy uznawany za odkrywcę elektronu [patrz ramka powyżej]. W swoim wykładzie noblowskim zatytułowanym Nośniki elektryczności ujemnej opisał metody wyznaczania właściwości promieni katodowych, nie wspominając wcale o strukturze atomu.

Przez następnych kilka lat Thomson próbował ulepszać swój model atomu jako "ciastka z rodzynkami". W roku 1910 jeden z jego współpracowników ogłosił, że liczba korpuskuł w atomie jest około trzykrotnie większa od jego liczby porządkowej. Jeszcze w 1911 roku można było spotkać się z poglądem, że atom wodoru liczy osiem elektronów. Nawet pojawienie się jądrowego modelu atomu, opracowanego przez Ernesta Rutherforda, nie rozwiązało do końca sprawy, ponieważ nie było metody dokładnego wyznaczenia ładunku jądra. Koniec tej niepewności przyniosło dopiero opublikowanie w roku 1913 przez Harry'ego Moseleya wyników systematycznych badań charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego pierwiastków. Wzór Moseleya pozwalał jednoznacznie ustalić ładunek jądra atomu danego pierwiastka, a więc - ze względu na neutralność atomu jako całości - także liczbę znajdujących się w nim elektronów. Zbiegło się to w czasie z powstaniem planetarnego modelu atomu, zaproponowanego przez Nielsa Bohra. Elektron nabrał wówczas znaczenia jako podstawowy składnik atomów.

Uświadomiono sobie wówczas, że to Joseph John Thomson był tym, który uporczywie przez kilkanaście lat starał się wszystkimi dostępnymi metodami zbadać właściwości elektronów i znaleźć dla nich miejsce w wyjaśnieniu struktury atomów. Inni fizycy dużo wcześniej porzucili ten temat (np. Emil Wiechert zajął się geofizyką). Po I wojnie światowej, ponad dwadzieścia lat po pracach z 1897 roku, o Thomsonie pisano już jako o odkrywcy elektronu. Jeśli miałoby się koniecznie wybrać tylko jednego fizyka spośród innych aspirujących do tego tytułu, to niewątpliwie wybór jest trafny, bo właśnie Thomson wniósł najwięcej do tego odkrycia. Ale wszelkie próby zbytniego uproszczenia historii zawsze prowadzą do jej zniekształcenia, co starałem się wykazać w tym artykule.

Prof. dr hab. ANDRZEJ KAJETAN WRÓBLEWSKI pracuje w Instytucie Fizyki Doświadczalnej Uniwersytetu Warszawskiego.


O podobnych zagadnieniach przeczytasz w artykułach:
(02/98) MAŁA WIELKA CZĄSTKA