De ontdekking van het elektron

Het uitgangspunt voor de grote ontdekking van J.J. Thomson waren de kathodestralen, een geheimzinnige straling die vanuit een negatieve elektrode (kathode) wordt voortgebracht wanneer over twee elektrodes in een bijna luchtledige buis een zeer hoge elektrische spanning wordt aangebracht.

Thomson vermoedde dat kathodestralen geen elektromagnetische golven waren zoals licht, maar uit deeltjes bestaan. Voordien hadden reeds verschillende  personen de intrigerende  effecten van  elektrische ontladingen in gassen bestudeerd. Wanneer men een gas bij lage druk onder hoge spanning bracht zag men een spectaculair lichtverschijnsel, veroorzaakt door elektrische ontlading. De oorsprong hiervan moest komen van iets, een ‘straling’ die vanuit de kathode (de lage spanningspool van de hoogspanning) vertrok. Thomson onderwierp die straling aan een elektrisch E en magnetisch veld B  en stelde vast dat de straling door deze velden werd afgebogen.

foto 7

Uit zijn experimenten met de kathodestralen in elektrische en magnetische velden concludeerde Thomson dat de kathodestralen elektrisch geladen moesten zijn. Thomson was ook in staat met deze experimenten de verhouding tussen de elektrische lading e van het “corpuscle”  (later elektron genoemd) en zijn massa m te bepalen. Het resultaat van Thomson was:

e/m = 1.8 1011 C/kg

Uit experimenten met elektrolyse had men reeds eerder afgeleid dat voor de ontlading van 1 mol waterstofionen ongeveer 100 000 coulomb (C) nodig zijn.

En inderdaad: indien 1 mol =  6,02.1023   deeltjes  elk met 1 elektron  wordt ontladen vindt men voor de lading van het elektron  e : 105 C  / 6,02.1023  = 1,6.10-19  C en voor de massa m: 1,6.10-19  C/ 1,8.1011  C/kg   = 9,1.10-31  kg.

Elektronen in een eletrisch en in een magnetisch veld

foto 8In een elektrisch veld E  tussen twee geladen horizontale plaatjes ondervindt een positief (negatief) geladen deeltje tussen die plaatjes een verticale kracht in de zin van het positieve (negatieve) naar het negatieve (positieve) geladen plaatje.

Een verticaal bewegend deeltje (in de richting  van het elektrisch veld E)  zal de grootte van de snelheid veranderen. Een horizontaal bewegend geladen deeltje zal tussen de plaatjes afgebogen worden.

In een magnetisch veld wordt een elektron afgebogen door de Lorentzkracht. Dit is de kracht van een magnetisch veld B op een bewegende lading .

Die magnetische kracht staat loodrecht op de snelheid v en het magnetisch veld B. Dit verandert dus niet de grootte van de snelheid, maar wel de richting. De magnetische kracht buigt dus ook de baan van het deeltje af, maar verandert de grootte van de snelheid niet.

foto 9

Fig. Baan die een elektron in een magnetisch veld beschrijft. Het magnetische veld B staat loodrecht op het vlak van de figuur. De blauwe kleur ontstaat door ionisatie van gasmoleculen door botsingen met de elektronen.

Staan de snelheid v van het deeltje en het magnetisch veld B (bv. gecreëerd door twee spoelen) loodrecht op elkaar, dan beschrijft het geladen deeltje een cirkelbeweging.foto 10