Je leest:

De ontdekking van het elektron

De ontdekking van het elektron

Auteur: | 20 februari 2006

Tegen het einde van de negentiende eeuw was elektrische verlichting aanwezig in de grote steden, en reden de eerste trams al door de straten. De industrie en ook natuurkundige laboratoria maakten volop gebruik van elektrisch aangedreven machines. Toch was een eenduidige verklaring van het verschijnsel elektriciteit nog altijd niet gegeven. Sommigen, zoals Michael Faraday en Hendrik Antoon Lorentz, zagen elektriciteit als gedragen door deeltjes, terwijl anderen, zoals aanvankelijk Joseph John (“J.J.”) Thomson, juist dachten aan golven in de ether.

Als ontdekker van het elektron wordt meestal Thomson genoemd. In 1897 bestudeerde hij de afbuiging van een kathodestraal door een elektrisch en een magnetisch veld. Hieruit kon hij de verhouding bepalen tussen de massa van de deeltjes en hun lading, m/e, die hij vaststelde op ongeveer een duizendste van die van het waterstofion.

Een ontdekking komt echter meestal niet uit de lucht vallen. Verschillende wetenschappers wedijverden met elkaar om elektriciteit te verklaren. In 1896, een jaar voordat Thomson zijn ontdekking aankondigde, deed een assistent van Lorentz genaamd Pieter Zeeman een verrassende ontdekking. Hij bekeek door een diffractierooster het spectrum van brandend keukenzout en zag dat de spectraallijn verbreedde in een magnetisch veld. Lorentz wist deze verbreding te verklaren met zijn elektronentheorie.

Beladen theorieën

Ook de theorie van Lorentz kwam niet uit de lucht vallen. In feite was het verschijnsel elektriciteit al bekend bij de oude Grieken. Zij wisten dat je, als je met een ruwe vacht over barnsteen wreef, haren en andere lichte voorwerpen kunt aantrekken. Lange tijd dacht men dat het niet meer dan een opmerkelijke eigenschap van barnsteen was. Pas in 1600 meldde William Gilbert, hofarts van koningin Elizabeth I, in zijn boek De magnete dat meer materialen deze eigenschap bezitten, zoals glas en hars. Van Gilbert komt ook de term ‘elektrisch’, naar het Griekse woord voor barnsteen.

De navolgers van Gilbert ontdekten in de zeventiende eeuw dat sommige elektrisch geladen lichamen elkaar kunnen aantrekken, terwijl andere elkaar juist afstoten. In 1731 rapporteerde Stephen Gray, lid van de Royal Society in Londen, dat deze afstotende en aantrekkende eigenschap kan worden doorgegeven. Geïnspireerd door Grays ontdekking liet de Fransman Charles-François du Fay vonken schieten van een jongen uit het publiek. In 1733 concludeerde Du Fay, die zelf geen opleiding in natuurwetenschappen had, dat er twee soorten elektriciteit waren. Hij noemde ze ‘vitreous’ (glasachtig) en ‘resinous’ (harsachtig). Jean-Antoine Nollet, die samenwerkte met Du Fay en later hoogleraar werd aan de Universiteit van Parijs, interpreteerde deze soorten elektriciteit als twee soorten elektrische vloeistof.

De eerste elektrische condensator, de zogenaamde Leidse fles uit 1745, staat op naam van de Leidse hoogleraar Petrus van Musschenbroek. Diens experimenten, zoals het toedienen van een elektrische ontlading aan een vriend, werden in Londen herhaald door William Watson. Een van de proefpersonen voelde de elektriciteit door beide armen en borst gaan. Watson concludeerde uit de beschrijving van deze proefpersoon dat er maar één vloeistof werd getransporteerd, en wel van een voorwerp met een overschot aan elektriciteit naar een voorwerp met een tekort hieraan.

In Philadelphia verfijnde Benjamin Franklin de eenvloeistoftheorie van Watson. In 1747 schreef Franklin dat elektriciteit niet wordt gegenereerd of geannihileerd maar altijd behouden is. Hij introduceerde de term ‘electrised negatively’ voor een tekort, en ‘electrised positively’ voor een overschot. Aan de ontladingen meende hij af te kunnen leiden dat glas positief en hars negatief geladen was. Door deze keuze noemen wij elektronen tegenwoordig nog steeds negatief geladen.

Het bekendste verhaal van Franklin is dat hij met een vlieger de bliksem wist aan te trekken. In 1749 concludeerde hij dat wolken elektrisch geladen waren, en dat bliksem een snelle ontlading van de elektrische vloeistof is. In latere experimenten hield Franklin een voorwerp binnenin een geladen metalen holte en merkte hij op dat het geen elektrische kracht ondervond. Aangespoord door Franklin herhaalde Joseph Priestley, de ontdekker van zuurstof, diens experimenten in Londen in 1766. Priestley zag de analogie met de afwezigheid van onderlinge zwaartekracht tussen een lichaam en een omringende schil. Hierdoor vermoedde hij dat elektrische kracht net als zwaartekracht omgekeerd evenredig is met het kwadraat van de afstand.

Tot ver in de achttiende eeuw werd er veel gefilosofeerd over het verschijnsel elektriciteit, maar er kwamen weinig kwantitatieve resultaten. Het eerste, echt overtuigende experimentele bewijs van Priestleys vermoeden kwam in 1785 van de militair ingenieur en natuurkundige Charles Augustin Coulomb. In een zoektocht naar een betere kompasnaald ontwikkelde hij in Parijs een torsiebalans waarmee hij elektrische kracht kon meten. Coulomb was het overigens niet eens met de eenvloeistoftheorie van Franklin en bleef trouw aan de tweevloeistoffentheorie van zijn landgenoot Du Fay.

Een volgende stap in de ontwikkeling werd gezet door Luigi Galvani, arts in Bologna. In 1791 ontdekte hij ‘animal electricity’ – het samentrekken van een kikkerpoot als aan de uiteinden verschillende metalen worden bevestigd. Alessandro Volta, hoogleraar natuurkunde in Pavia, toonde aan dat de kikker niet essentieel was. Hij bouwde zijn beroemde voltaïsche cel, bestaande uit paren van schijven van verschillende metalen (bijvoorbeeld koper en zink) die in contact stonden met een vochtig materiaal. De cel produceerde effecten die leken op elektriciteit door wrijving, namelijk oplaadeffecten, elektrische schokken en vonken. In 1800 beschreef Volta dat hij voor het eerst een continue stroom kon leveren.

Elektromagnetisme

Magnetisme was net als elektriciteit al bekend sinds de oude Grieken, en evengoed onderwerp van nieuwsgierigheid en onderzoek. De link tussen elektriciteit en magnetisme werd voor het eerst herkend door Hans Christian Ørsted, hoogleraar natuurkunde in Kopenhagen. In 1820 zag hij een magnetische naald reageren op bliksemflitsen. Hij plaatste een dun draadje vlak boven de magnetische naald, en zag dat deze inderdaad reageerde op een elektrische ontlading door het draadje.

In hetzelfde jaar 1820 rapporteerde André-Marie Ampère, hoogleraar wiskunde aan de Ecole Polytechnique, dat twee parallelle stroomdraden elkaar aantrekken als de stromen in dezelfde richting lopen, maar elkaar afstoten als die in tegengestelde richting lopen. Hij vond dat de kracht evenredig was met de stroomsterkte en afnam met het kwadraat van de afstand tussen de draden. Deze vinding wordt tot op heden gebruikt in de SI-definitie van de Ampère als eenheid van elektrische stroom.

Michael Faraday raakte geïnspireerd door het werk van Ørsted. In 1831 ontdekte Faraday (lid van de Royal Society in Londen) dat als hij een magneet snel bewoog ten opzichte van een spoel, er een elektrische stroom werd opgewekt: magnetische inductie.

Faraday was ook geboeid door de werking van de voltaïsche cel. Na verschillende experimenten formuleerde hij in 1833, net gekozen tot hoogleraar scheikunde, zijn elektrolysewetten. De eerste daarvan stelde dat het chemische vermogen van een elektrische stroom evenredig is met de hoeveelheid gepasseerde lading. De tweede stelde dat de hoeveelheden opgeloste of gedeponeerde substantie van verschillende materialen bij een gegeven hoeveelheid lading evenredig is met hun elementaire massa. Deze wetten suggereren dat Faraday al een fundamenteel quantum van lading vermoedde.

Wat Franklin en Coulomb volgens Faraday niet eenduidig hadden aangetoond, was dat elektrische lading zich altijd aan het oppervlak aan de buitenkant van een voorwerp bevindt. In zijn collegezaal bouwde hij wat later de kooi van Faraday is gaan heten. Tests met elektrometers toonden aan dat hij binnen deze metalen ruimte ongevoelig was voor elektrische effecten van buiten.

Een van de drijfveren van Faraday was zijn visie dat elektriciteit, magnetisme en licht dezelfde oorzaak hadden. In 1845 ontdekte hij dat de polarisatierichting van licht veranderde als je het door een gemagnetiseerd stuk glas stuurde. Ook bekeek hij in 1862 de invloed van een magneetveld op het licht dat werd uitgezonden door een vlam met onder andere natrium en lithium. Hij vond echter geen enkel effect op spectrum of polarisatie.

In een beroemde verhandeling voor een perplexe Royal Society in Londen presenteerde de Schot James Clerk Maxwell, toen werkzaam aan King’s College in Londen, in 1864 zijn basiswetten van het elektromagnetisme. Faraday en zijn tijdgenoten stelden zich de werking van elektriciteit voor als buisvormige krachtlijnen, om zo de werking op afstand te kunnen verklaren. In zijn verhandeling verving Maxwell de krachtlijnen echter door velden die onderhevig waren aan wiskundige vergelijkingen. Met deze elektromagnetische basiswetten toonde Maxwell aan dat een bewegende elektrische lading golven uitzendt door de ruimte. Hij concludeerde dat de snelheid van de uitgezonden golven zo dicht bij de lichtsnelheid ligt, dat licht zelf een elektromagnetische verstoring moest zijn. Maxwell voorspelde het gehele elektromagnetische spectrum van radiogolven tot gammastraling, terwijl toen enkel het zichtbare licht bekend was. In 1873, inmiddels vertrokken naar Cambridge, breidde hij zijn theorie uit in zijn beroemd geworden Treatise on electricity and magnetism.

De Maxwell-vergelijkingen werden in de jaren daarna vooral gezien als wiskundige trucs en lieten alle ruimte voor interpretatie. In 1880 besprak Herman von Helmholtz in Berlijn met zijn student Heinrich Hertz de mogelijkheid om de voorspelde golven experimenteel te bevestigen. Pas in 1888 kon Hertz, inmiddels hoogleraar in Bonn, laten zien dat een ontlading in een primair resonantiecircuit een ontlading veroorzaakte in een identiek secundair circuit. Dit duidde op een elektromagnetische golf die uitgezonden en ontvangen werd. Door de afstand tussen de twee circuits te variëren en de sterkte van de geïnduceerde ontlading te meten kon hij de golflengte bepalen. Met behulp van de berekende resonantiefrequentie vond hij de voortplantingssnelheid, die inderdaad gelijk bleek te zijn aan de lichtsnelheid.

Fysische interpretatie

Een fysische interpretatie van de Maxwell-vergelijkingen kwam van Hendrik Antoon Lorentz. In 1870 begon Lorentz aan de universiteit in Leiden, waar hij in 1871 zijn kandidaatsexamen wis- en natuurkunde behaalde. In 1872 ging hij weer terug naar zijn geboortestad Arnhem om daar les te geven aan de avondschool. Tegelijkertijd werkte hij ook aan een proefschrift over ‘De theorie der terugkaatsing en breking van het licht’, dat hij in 1875 voltooide. Hierin beschreef hij voor het eerst breking en reflectie van licht vanuit de elektromagnetische theorie van Maxwell. Drie jaar later, pas vierentwintig jaar oud, werd hij benoemd tot hoogleraar theoretische natuurkunde – een speciaal voor hem gecreëerde post.

In de jaren daarna werkte Lorentz vooral aan een verfijning van de theorie van Maxwell. In 1892 publiceerde hij zijn eerste artikel over een atomistische interpretatie van de Maxwell-vergelijkingen. Lorentz ging uit van drie elementaire substanties: atomen, geladen deeltjes die rondcirkelen in atomen en moleculen (deeltjes die hij aanvankelijk ‘lichtionen’ noemde), en ether. Die ‘lichtionen’ waren volgens hem trillende ladingen die, zoals Hertz had laten zien, zorgden voor straling. Hiermee kon Lorentz onder andere het in 1875 ontdekte Kerr-effect verklaren. Kerr had ontdekt dat door reflectie van lineair gepolariseerd licht op een gepolijste pool van een magneet, de polarisatierichting veranderde.

Door de Maxwell-vergelijkingen toe te passen op één enkel bewegend elektrisch geladen deeltje berekende hij in 1895 in zijn tweede grote publicatie de later naar hem vernoemde Lorentz-kracht: F = q(E + v x B). Deze kracht verklaarde onder andere het in 1879 ontdekte Hall-effect. Dit effect is het spanningsverschil dat ontstaat dwars over een elektrische geleider door een loodrecht magnetisch veld, evenredig met de stroom door de geleider.

De grootste doorbraak van de theorie van Lorentz kwam met de experimenten van zijn collega Pieter Zeeman in 1896. Zeeman begon in 1885 aan zijn studie aan de universiteit van Leiden, waar hij vooral onder Heike Kamerlingh Onnes werkte. Na vijf jaar werd hij assistent van Lorentz, waarna hij een proefschrift over zijn experimentele werk aan het Kerr-effect schreef. In 1894 werd hij benoemd tot privaatdocent.

Zeeman besloot in september 1896 de experimenten die Faraday in 1862 had uitgevoerd te herhalen. Hij gebruikte hiervoor een vlam gekleurd met natriumzout, en plaatste die tussen de polen van een sterke magneet (ongeveer 1 Tesla). Om het spectrum te bekijken gebruikte hij een tralie van Rowland, een holle spiegel met een kromtestraal van drie meter en bijna zesduizend krassen per centimeter. Zodra de magneet ingeschakeld werd, verbreedde het spectrum zich. Zeeman legde zijn resultaten in oktober 1896 voor aan Lorentz. Deze legde uit dat er volgens hem zowel een splitsing van de spectraallijnen moest plaatsvinden als een effect op de polarisatie. Dat Zeeman slechts een verbreding en geen splitsing van het spectrum waarnam, kwam door de resolutie van de tralie. Als eerste schatting berekende Lorentz dat e/m voor zijn ‘lichtionen’ ongeveer duizend keer zo groot moest zijn als voor het waterstofion. In november 1896 mat Zeeman inderdaad de door Lorentz voorspelde polarisatie-effecten.

Nog geen twee maanden later trad Zeeman in dienst van de Universiteit van Amsterdam. Daar zette hij zijn experimenten voort, ditmaal met cadmium. Het effect bleek groter dan voor natrium, waardoor de splitsing daadwerkelijk waarneembaar was. Hierdoor kon hij de waarde voor e/m bijstellen tot zestienhonderd keer die van het waterstofion.

Kathodestralen

Het werk van Lorentz en Zeeman vond plaats terwijl verschillende onderzoeksgroepen hun aandacht richtten op de kathodestraalbuis. Julius Plücker, hoogleraar natuurkunde in Bonn, ontdekte in 1859 dat in een vacuümgepompte glazen buis een spanning op de anode een zwak oplichtende straal opleverde bij de kathode. Het meest aansprekende resultaat van het onderzoek naar deze kathodestralen was de toevallige ontdekking in 1895 van ‘X-Strahlen’ door Wilhelm Conrad Röntgen, hoogleraar natuurkunde in Würzburg. Röntgen maakte een aantal foto’s van zijn eigen skelet en haalde daarmee de kranten over de gehele wereld, en ontving voor zijn werk de allereerste Nobelprijs (in 1901). Over de aard van de kathodestralen zelf was men het volstrekt niet eens. Velen interpreteerden de straal als golven, maar anderen waren van mening dat de straal bestond uit deeltjes, waaronder Philipp Lenard, die in 1905 de Nobelprijs kreeg voor zijn werk aan kathodestralen. De straal boog af bij een loodrecht magnetisch veld, maar leek ongevoelig voor een elektrisch veld, zoals volgde uit experimenten van bijvoorbeeld Hertz.

Kathodebuis

In 1897 herhaalde Thomson, hoogleraar natuurkunde in Cambridge, de metingen van Hertz. Hij realiseerde zich dat de kathodestraal het nog aanwezige gas in de buis ioniseerde en dus geleidend maakte. Hierdoor was er helemaal geen spanningsverschil om de straal af te buigen. Als alternatief mat hij in april 1897 met een elektrometer de afgegeven lading Ne van de straal. Zijn veronderstelling was dat deze bestond uit N deeltjes (‘corpuscles’) met lading e en massa m die met een snelheid v door de buis bewogen. Met een thermokoppel mat hij de afgegeven thermische energie m/e1/2 nmv2. De afbuiging van de straal door een magneetveld B gaf een afbuiging met kromtestraal mv/eB. Door deze drie metingen te combineren kon hij de verhouding m/e bepalen. In oktober van hetzelfde jaar publiceerde hij een artikel waarin hij een nieuwe kathodestraalbuis beschrijft. Hiermee lukte het hem een straal tegelijkertijd door een elektrisch veld E en een magnetisch veld B af te buigen, waarbij de twee effecten elkaar precies opheffen. De kracht op de deeltjes is hierdoor gelijk aan eE=Bev. Door weer de kromtestraal als gevolg van een magneetveld te meten, is de verhouding e/m terug te voeren op slechts het elektrische en het magnetische veld.

Meer dan e/m

Nu de verhouding e/m bepaald was, werd het natuurlijk ook interessant om te kijken wat de lading en de massa van het elektron zelf waren. Degene die hierin de meest nauwkeurige resultaten behaalde was Robert Millikan, hoogleraar natuurkunde in Chicago. In 1909 bracht hij met behulp van een parfumverstuiver geladen oliedruppeltjes in een ruimte met een elektrisch veld dat voor de kleinste druppels de zwaartekracht compenseerde. Als het veld werd uitgezet, vielen de druppeltjes alsnog. Met behulp van de wet van Stokes kon uit de gemeten valsnelheid de massa van het druppeltje bepaald worden, en dus de lading. In 1923 ontving hij hiervoor de Nobelprijs.

Het elektron bleek een veel ingewikkelder deeltje te zijn dan de resultaten van Thomson, Lorentz en Zeeman suggereerden. In 1911 ontdekte Kamerlingh Onnes het verschijnsel supergeleiding, de totale afwezigheid van elektrische weerstand bij lage temperaturen. John Bardeen, hoogleraar elektrotechniek en natuurkunde in Illinois, zijn collega Leon Cooper en student Robert Schrieffer konden het verschijnsel pas in 1957 verklaren vanuit de quantummechanica. Ze toonden aan dat de afstotende kracht tussen twee elektronen werd omgezet in een aantrekkende kracht, waardoor zogenaamde Cooper-paren werden gevormd met een lading 2e. In 1972 ontvingen zij voor hun werk de Nobelprijs.

Naast massa en lading bleek het elektron nog een derde fundamentele eigenschap te bezitten: spin. Verschillende groepen ontdekten dat de spectraallijnen van Zeeman bij sommige materialen in meer dan drie lijnen opsplitsten. In 1925 opperden Samuel Goudsmit en George Uhlenbeck, studenten van Lorentz’ opvolger Paul Ehrenfest in Leiden, dat de elektronen zelf om hun as tolden. Door aan te nemen dat deze elektronspin slechts twee mogelijke waarden had, konden ze het anomale Zeeman-effect verklaren.

Hoewel Thomson dacht te hebben bewezen dat elektronen deeltjes zijn, werd met de quantummechanica duidelijk dat ze zich ook als golven konden gedragen. Nota bene Thomsons eigen zoon George zou in 1937 de Nobelprijs krijgen voor het meten van diffractie van elektronen aan kristallen.

Ook over de massa en de lading van het elektron valt meer te zeggen. Tegenwoordig weten we dat in sommige halfgeleiders het elektron schijnbaar veel lichter is dan in vacuüm, terwijl het in andere materialen juist zwaarder kan zijn. Uit het fractionele quantum-Hall-effect, in 1982 ontdekt door Dan Tsui en Horst Störmer en in 1983 verklaard door Robert Laughlin (samen goed voor de Nobelprijs van 1998), blijkt dat de elektronen zich op kunnen splitsen in deeltjes met fracties van lading zoals e/3, e/5 en e/7.

Indirecte waarneming

Het grote verschil tussen de ontdekking van Zeeman en Lorentz en die van Thomson was dat de theorie van Lorentz de mogelijkheid openliet dat het deeltje slechts een rekentruc was. Het zou dan louter een indirecte waarneming zijn van een deeltje dat gebonden zat in een atoom. Het experiment van Thomson liet vrije elektronen als dragers van elektrische stroom zien.

Zowel Thomson als Lorentz en Zeeman kregen voor hun werk de Nobelprijs. Thomson in 1906, Lorentz en Zeeman al in 1902. Kennelijk werd het belang van de elektronentheorie van Lorentz en de ontdekking van Zeeman meer gewaardeerd dan de ‘feitelijke’ ontdekking van het elektron.

De term ‘elektron’ is overigens in 1891 door George Johnstone Stoney bedacht. Lorentz, die het aanvankelijk over ‘lichtionen’ had, zou hem vanaf 1899 gaan gebruiken. Thomson hield vast aan zijn ‘corpuscles’ tot 1906; in zijn Nobellezing sprak ook hij eindelijk van ‘electrons’.

Bronnen:

H.A. Lorentz, ‘La théorie électromagnétique de Maxwell et son application aux corps mouvants’, Archives Néerlandaises 25 (1892), 363-552. H.A. Lorentz, ‘Versuch einer Theorie der electrischen und optischen Erscheinungen in bewegten Körpern’ (E.J. Brill, Leiden 1895). P. Zeeman, ‘Over den invloed eener magnetisatie op den aard van het door een stof uitgezonden licht’, Verslag 5 (Koninklijke Akademie van Wetenschappen te Amsterdam, 1896), 181-184 en 242-248. J.J. Thomson, ‘Cathode rays’, Philosophical Magazine 44 (1897), 293-316.

Zie ook:

Bezoek de website van het Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 20 februari 2006

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.