ในนิตยสาร Popular Science ฉบับเดือนสิงหาคม เว็บสล็อต พ.ศ. 2444 เจเจ ทอมสัน นักฟิสิกส์ได้ให้รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการค้นพบอิเล็กตรอนอย่างตื่นเต้น
โดย BILL GOURGEY | เผยแพร่เมื่อ 16 พฤษภาคม 2022 9:00 น
ศาสตร์
ภาพของนิตยสาร Popular Science Monthly ฉบับปี 1901
“ในร่างกายที่เล็กกว่าอะตอม” (JJ Thomson, 1901) วิทยาศาสตร์ยอดนิยม
แบ่งปัน
เพื่อเป็นการฉลองครบรอบ 150 ปีของเรา เรากำลังทบทวน เรื่องราว วิทยาศาสตร์ยอดนิยม (ทั้งเรื่องฮิตและเรื่องที่พลาดไป) ที่ช่วยกำหนดความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์ ความเข้าใจ และนวัตกรรม พร้อมคำใบ้เพิ่มเติมเกี่ยวกับบริบทสมัยใหม่ สำรวจ หน้าเด่น และดูการรายงานข่าววันครบรอบทั้งหมดของเรา ที่นี่
ลูกผสมปลาแซลมอนป่ากำลังสร้างความกังวลในแคนาดา
เท่าที่ความรู้ของมนุษย์มีความเกี่ยวข้อง อิเล็กตรอนมีอายุ 125 ปีในวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2565 แน่นอนว่าอนุภาคย่อยของอะตอมมีมาตั้งแต่หลังบิกแบงไม่นาน แต่บนโลกนี้ไม่มีใครรู้เกี่ยวกับพวกมันจนกระทั่งนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ เจ.เจ. ทอมสันประกาศ ค้นพบเมื่อวันที่ 30 เมษายน พ.ศ. 2440 ที่สถาบันหลวงในลอนดอน
ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1901 Thomson เขียนว่า “On Bodies Smaller Than Atoms”สำหรับวิทยาศาสตร์ยอดนิยมโดยมีรายละเอียดการค้นพบและวิธีการของเขา ตามมาตรฐานปัจจุบัน ชิ้นนี้อ่านได้เหมือนกับบทความในวารสารและบันทึกความทรงจำแบบผสม ซึ่งรวบรวมความภาคภูมิใจและความตื่นเต้นของการค้นพบของเขา ทอมสันได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับการแยกอิเล็กตรอนซึ่งเป็นปัจจัยพื้นฐานสำหรับอะตอมทั้งหมด
ในช่วงเวลาของการค้นพบของ Thomson ไม่มีใครเคยตรวจพบสิ่งที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมของไฮโดรเจน (หนึ่งโปรตอนและหนึ่งอิเล็กตรอน ไม่มีนิวตรอน) อย่างไรก็ตาม ความสามารถของไฟฟ้าในการไหลของวัสดุ ควบคู่ไปกับการทดลองทางรังสีของ MarieCurie และสนามไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง ตามที่ Thomson อ้างถึง
ทอมสันทำมากกว่าค้นพบอิเล็กตรอน
วิธีการของเขาซึ่งเกี่ยวข้องกับการเร่งอนุภาคระหว่างอิเล็กโทรด ทำให้เกิดวิธีใหม่ในการศึกษาโลกของอะตอม โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคและเครื่องชนกันเพื่อแยกชิ้นส่วนที่เล็กที่สุดออกจากกัน ในปี 1911 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ดได้นำเสนอแบบจำลองอะตอม ของเขา ซึ่งยืนยันการค้นพบอิเล็กตรอนของทอมสัน แต่หักล้างสมมติฐานที่กว้างกว่าของเขาที่ว่าอะตอมมีการกระจายอย่างสม่ำเสมอ (โปรตอนที่จับคู่กับอิเล็กตรอน) ทุกวันนี้ บุหงาของอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าอิเล็กตรอน เช่น ควาร์กและนิวตริโน ประกอบเป็นแบบจำลองมาตรฐานของจักรวาล ซึ่งพัฒนาขึ้นในปี 1970 บางทีที่เข้าใจยากที่สุดคือ Higgs boson ซึ่งเชื่อกันว่าเป็นแหล่งกำเนิดของมวลสำหรับอนุภาคย่อยของอะตอมทั้งหมด ซึ่งถูกสอดแนมครั้งแรกในปี 2012 โดยนักฟิสิกส์ที่Large Hadron Collider ของ CERN. แต่แม้กระทั่งแบบจำลองมาตรฐานก็มีช่องว่าง เช่น สสารมืดและปฏิสสาร ซึ่งเป็นเวลากว่าศตวรรษ ที่ยังคงกระตุ้นการแสวงหาวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอม
“ในร่างกายที่เล็กกว่าอะตอม” (JJ Thomson, สิงหาคม 1901)
มวลของอะตอมของก๊าซต่างๆ ได้รับการตรวจสอบครั้งแรกเมื่อประมาณสามสิบปีที่แล้วโดยวิธีการของ Loschmidt, Johnstone Stoney และ Lord Kelvin นักฟิสิกส์เหล่านี้ใช้หลักการของทฤษฎีจลนศาสตร์ของก๊าซและการตั้งสมมติฐานบางอย่างซึ่งต้องยอมรับว่าไม่เป็นที่น่าพอใจอย่างสิ้นเชิงสำหรับรูปร่างของอะตอมได้กำหนดมวลของอะตอมของก๊าซ: และเมื่อมวลมวล ของอะตอมของสารหนึ่ง ๆ เป็นที่ทราบกันดีว่ามวลของอะตอมของสารอื่น ๆ ทั้งหมดสามารถอนุมานได้ง่าย ๆ โดยการพิจารณาทางเคมีที่รู้จักกันดี
“ผลของการตรวจสอบเหล่านี้อาจคิดว่าจะไม่เหลือที่ว่างมากนักสำหรับการดำรงอยู่ของสิ่งที่มีขนาดเล็กกว่าอะตอมธรรมดา เพราะพวกเขาแสดงให้เห็นว่าในก๊าซหนึ่งลูกบาศก์เซนติเมตรที่ความดันบรรยากาศและที่อุณหภูมิ 0 องศาเซลเซียส มีประมาณ 20 ล้านล้าน , ล้าน (2 X 10 19 ) โมเลกุลของก๊าซ
แม้ว่าอาร์กิวเมนต์บางข้อที่ใช้เพื่อให้ได้ผลลัพธ์นี้เปิดกว้างสำหรับคำถาม แต่ผลลัพธ์เองก็ได้รับการยืนยันโดยการพิจารณาในรูปแบบที่ต่างออกไป ดังนั้น ลอร์ดเรย์ลีห์ได้แสดงให้เห็นว่าจำนวนโมเลกุลนี้ต่อลูกบาศก์เซนติเมตรให้ค่าที่เหมาะสมสำหรับความทึบแสงของอากาศ ในขณะที่วิธีการซึ่งฉันจะอธิบายในตอนนี้ โดยที่เราสามารถวัดจำนวนโมเลกุลในตัวนำก๊าซได้โดยตรง เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เกือบจะเหมือนกับของ Loschmidt วิธีนี้เกิดขึ้นจากกฎอิเล็กโทรไลซิสของฟาราเดย์ เราสรุปได้จากกฎเหล่านี้ว่ากระแสที่ไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์นั้นถูกอะตอมของอิเล็กโทรไลต์พาไป และอะตอมทั้งหมดนี้มีประจุเท่ากัน ดังนั้นน้ำหนักของอะตอมที่ต้องแบกรับปริมาณไฟฟ้าที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนกับปริมาณ ถือ. เรารู้ด้วย จากผลการทดลองอิเล็กโทรไลซิส การนำประจุไฟฟ้าต่อหน่วยนั้นต้องอาศัยอะตอมของไฮโดรเจนรวมกันซึ่งมีน้ำหนักประมาณ 1 ใน 10 ของมิลลิกรัม ดังนั้นหากเราสามารถวัดประจุไฟฟ้าบนอะตอมของไฮโดรเจนได้ เราจะเห็นว่า 1 ใน 10 ของประจุนี้จะมีน้ำหนักเป็นมิลลิกรัมของอะตอมของไฮโดรเจน ผลลัพธ์นี้มีไว้สำหรับกรณีที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอิเล็กโทรไลต์เหลว ตอนนี้ผมจะอธิบายวิธีที่เราสามารถวัดมวลของพาหะของไฟฟ้าที่จำเป็นในการถ่ายทอดประจุไฟฟ้าที่กำหนดผ่านก๊าซที่หายาก ในกรณีนี้ไม่สามารถใช้วิธีการโดยตรงที่ใช้กับอิเล็กโทรไลต์เหลวได้ แต่มีวิธีการอื่น ๆ หากโดยอ้อมมากกว่าซึ่งเราสามารถแก้ปัญหาได้ กรณีแรกของการนำไฟฟ้าผ่านก๊าซที่เราจะพิจารณาก็คือรังสีแคโทดที่เรียกว่าลำแสงจากขั้วลบ เว็บสล็อต
