Guinguette Marais Poitevin

Appendix 7: Evidence for a New Entity: J.J. Thomson und das Elektron

In der Diskussion über die Existenz von Elektronen hat Ian Hacking geschrieben: „So far as I’m concerned, if you can spray them then they are real“(Hacking 1983, S. 23). Er fuhr fort, diese Ansicht auszuarbeiten. „Wir sind vollständig von der Realität der Elektronen überzeugt, wenn wir uns daran machen, neue Arten von Geräten zu bauen – und oft genug Erfolg damit haben -, die verschiedene wohlverstandene kausale Eigenschaften von Elektronen nutzen, um in andere, eher hypothetische Teile der Natur einzugreifen“ (S. 265).

Hacking war besorgt, dass die einfache Manipulation des ersten Zitats, die Änderung der Ladung eines Öltropfens oder einer supraleitenden Niobkugel, bei der nur die Ladung des Elektrons eine Rolle spielt, keine ausreichende Begründung für den Glauben an Elektronen sei. Seine zweite Illustration, die er glaubte, mehr überzeugend, weil es mehrere beteiligtEigenschaften des Elektrons, war, dass der Peggy II, eine Quelle der polarisiertenElektronen am Stanford Linear Accelerator Center in den späten 1970er Jahren gebaut. Peggy II lieferte polarisierte Elektronen für ein Experiment, das Elektronen von Deuterium abstreute, um den schwachen Neutralstrom zu untersuchen. Obwohl ich Hacking zustimme, dass Manipulierbarkeit uns oft Gründe für den Glauben an eine theoretische Entität liefern kann, kommt seine Illustration weit hergeholt. Physiker waren die Manipulation des Elektrons in Hacking’s Sinne in der frühen zwanzigsten Jahrhunderts. Sie glaubten an die Existenz von Elektronen lange vor Peggy II, und ich werde argumentieren, dass sie gute Gründe für diesen Glauben hatten.

Die Position, die ich einnehme, könnte man vernünftigerweise als „konjekturalen“ Realismus bezeichnen. Sie ist mutmaßlich, weil wir trotz guter Gründe für den Glauben an die Existenz einer Entität oder an die Wahrheit eines wissenschaftlichen Gesetzes falsch liegen könnten. Einst hatten Wissenschaftler gute Gründe, an Phlogiston und Kalorik zu glauben, Substanzen, von denen wir heute gute Gründe haben zu glauben, dass sie nicht existieren. Meine Position schließt sowohl Sellars‘ Ansicht ein, dass „gute Gründe für eine Theorie zu haben, ipsofacto auch gute Gründe dafür zu haben, dass die von der Theorie postulierten Entitäten existieren“ (Sellars 1962, S. 97), als auch den von Cartwright (1983) und Hacking (1983) vorgeschlagenen „Entitätsrealismus“. Sowohl Hacking, wie oben erwähnt, als auch Cartwright betonen die Manipulierbarkeit einer Entität als ein Kriterium für den Glauben an ihre Existenz. Cartwright betont auch die kausale Argumentation als Teil ihres Glaubens an Entitäten. In ihrer Diskussion über die Funktionsweise einer Nebelkammer sagt sie: „… wenn es keine Elektronen in der Nebelkammer gibt, weiß ich nicht, warum die Spuren dort sind“ (Cartwright, 1983, S. 99). Mit anderen Worten: Wenn es solche Entitäten nicht gibt, dann haben wir keine plausible kausale Geschichte zu erzählen. Sowohl Hacking als auch Cartwright gestehen Entitäten wie Elektronen die Existenz zu, geben aber weder Gesetzen noch Theorien, die solche Entitäten postulieren oder sich auf sie beziehen, einen „realen“ Status.

Im Gegensatz zu Cartwright und Hacking behaupte ich, dass wir auch gute Gründe für den Glauben an die Gesetze und Theorien haben können, die das Verhalten der Entitäten regeln, und dass mehrere ihrer Illustrationen implizit solche Gesetze einbeziehen. Ich habe an anderer Stelle für den Glauben an die Realität der wissenschaftlichen Gesetze argumentiert (Franklin 1996). In diesem Abschnitt möchte ich mich auf die Realität und die Existenz von Entitäten konzentrieren, insbesondere auf das Elektron. Ich stimme sowohl mit Hacking als auch mit Cartwright überein, dass wir über Sellars hinausgehen können und gute Gründe für den Glauben an Entitäten haben, auch ohne Gesetze. Hacking und Cartwright betonen das Experimentieren mit Entitäten. Ich werde argumentieren, dass das Experimentieren mit Entitäten und das Messen ihrer Eigenschaften ebenfalls Gründe für den Glauben an ihre Existenz liefern kann.

In diesem Abschnitt werde ich die Gründe für den Glauben an die Existenz des Elektrons diskutieren, indem ich J.J. Thomsons Experimente mit Kathodenstrahlen untersuche. Sein Experiment über Kathodenstrahlen aus dem Jahr 1897 wird allgemein als die „Entdeckung“ des Elektrons angesehen.

Der Zweck von J.J. Thomsons Experimenten wurde in der Einleitung zu seiner Arbeit aus dem Jahr 1897 klar formuliert.

Die in dieser Arbeit besprochenen Experimente wurden in der Hoffnung durchgeführt, Informationen über die Natur der Kathodenstrahlen zu erhalten. Über diese Strahlen werden die verschiedensten Meinungen vertreten; nach der fast einhelligen Meinung der deutschen Physiker sind sie auf einen Vorgang im Äther zurückzuführen, zu dem – da ihr Verlauf in einem gleichmäßigen Magnetfeld kreisförmig und nicht geradlinig ist – kein bisher beobachtetes Phänomen analog ist; eine andere Ansicht über diese Strahlen ist, dass sie, so weit davon entfernt, ganz ätherisch zu sein, in Wirklichkeit ganz materiell sind, und dass sie die Wege von Teilchen der Materie markieren, die mit negativer Elektrizität geladen sind (Thomson 1897, S. 293).

Thomsons erste Aufgabe war es, zu zeigen, dass die Kathodenstrahlen negative Ladung tragen. Dies war vermutlich schon von Perrin gezeigt worden. Perrin stellte zwei koaxiale Metallzylinder, die voneinander isoliert waren, vor eine ebene Kathode. Die Zylinder hatten jeweils ein kleines Loch, durch das die Kathodenstrahlen auf den inneren Zylinder gelangen konnten, während der äußere Zylinder geerdet war. Wenn Kathodenstrahlen in den inneren Zylinder gelangten, zeigte ein daran befestigtes Elektroskop das Vorhandensein einer negativen elektrischen Ladung an. Wenn die Kathodenstrahlen magnetisch abgelenkt wurden, so dass sie nicht durch die Löcher gingen, wurde keine Ladung festgestellt. „Die Befürworter der Äthertheorie bestreiten nicht, dass von der Kathode geladene Teilchen abgeschossen werden; sie bestreiten jedoch, dass diese geladenen Teilchen mit den Kathodenstrahlen mehr zu tun haben als eine Gewehrkugel mit dem Blitz beim Abfeuern eines Gewehrs“ (Thomson 1897, S. 294).

Thomson wiederholte das Experiment, jedoch in einer Form, die diesen Einwand nicht zuließ. Die Apparatur ist in Abbildung 14 dargestellt.

Die beiden koaxialen Zylinder mit Löchern sind dargestellt. Der äußere Zylinder war geerdet und der innere mit einem Elektrometer verbunden, um eine eventuelle Ladung zu erkennen. Die Kathodenstrahlen vonA gehen in die Glühbirne, würden aber nicht in die Löcher in den Zylindern eindringen, es sei denn, sie werden durch ein Magnetfeld abgelenkt.

Wenn die Kathodenstrahlen (deren Weg durch die Phosphoreszenz auf dem Glas verfolgt wurde) nicht auf den Schlitz fielen, war die elektrische Ladung, die zum Elektrometer gesendet wurde, wenn die Induktionsspule, die die Strahlen erzeugte, in Aktion gesetzt wurde, klein und unregelmäßig; wenn jedoch die Strahlen durch einen Magneten so gebogen wurden, dass sie auf den Schlitz fielen, wurde eine große Ladung negativer Elektrizität zum Elektrometer gesendet…. Wenn die Strahlen durch den Magneten so stark gebogen wurden, dass sie über die Schlitze im Zylinder hinausgingen, fiel die in den Zylinder gelangende Ladung wieder auf einen sehr kleinen Bruchteil ihres Wertes, wenn das Ziel richtig war. So zeigt dieses Experiment, dass, wie auch immer wir die Kathodenstrahlen durch magnetische Kräfte verdrehen und ablenken, die negative Elektrisierung demselben Weg folgt wie die Strahlen, und dass diese negative Elektrisierung unauflöslich mit den Kathodenstrahlen verbunden ist (Thomson 1897, S. 294-295, Hervorhebung hinzugefügt).

Dieses Experiment zeigte auch, dass Kathodenstrahlen durch ein Magnetfeld genau so abgelenkt wurden, wie man es erwarten würde, wenn sie negativ geladene materielle Teilchen wären.

Es gab jedoch ein Problem für die Ansicht, dass Kathodenstrahlen negativ geladene Teilchen waren. Mehrere Experimente, insbesondere die von Hertz, hatten die Ablenkung von Kathodenstrahlen durch ein elektrostatisches Feld nicht beobachtet. Thomson ging dazu über, diesen Einwand zu beantworten. Seine Apparatur ist in Abbildung 15 dargestellt. Die Kathodenstrahlen von C gehen durch einen Schlitz in der Anode A und durch einen anderen Schlitz bei B. Dann gehen sie zwischen den Platten D und E hindurch und erzeugen einen schmalen, gut definierten, phosphoreszierenden Fleck am Ende der Röhre, an dem auch eine Skala angebracht ist, um eine Ablenkung zu messen. Als Hertz das Experiment durchgeführt hatte, fand er keine Ablenkung, wenn eine Potentialdifferenz zwischen D und E angelegt wurde. Er schloss daraus, dass die elektrostatischen Eigenschaften des Kathodenstrahls entweder nicht vorhanden oder sehr schwach sind. Thomson gab zu, dass er bei der ersten Durchführung des Experiments auch keinen Effekt sah. „Bei der Wiederholung dieses Experiments erhielt ich zunächst das gleiche Ergebnis, aber nachfolgende Experimente zeigten, dass die Abwesenheit der Ablenkung auf die Leitfähigkeit zurückzuführen ist, die dem verdünnten Gas durch die Kathodenstrahlen verliehen wird“. Bei der Messung dieser Leitfähigkeit wurde festgestellt, dass sie mit zunehmender Erschöpfung sehr schnell abnahm; es schien, dass beim Versuch von Hertz‘ Experiment bei sehr hoher Erschöpfung eine Chance bestehen könnte, die Ablenkung der Kathodenstrahlen durch eine elektrostatische Kraft nachzuweisen (Thomson 1897, S. 296).Thomson führte das Experiment bei niedrigerem Druck durch und beobachtete die Ablenkung.

Thomson schloss daraus:

Da die Kathodenstrahlen eine Ladung negativer Elektrizität tragen, durch eine elektrostatische Kraft abgelenkt werden, als ob sie negativ-elektrifiziert wären, und auf sie eine magnetische Kraft in genau der Weise einwirkt, wie diese Kraft auf einen negativ-elektrifizierten Körper einwirken würde, der sich entlang des Weges dieser Strahlen bewegt, sehe ich keinen Ausweg aus der Schlussfolgerung, dass sie Ladungen negativer Elektrizität sind, die von Materieteilchen getragen werden. (Thomson 1897, S. 302)

Nachdem Thomson festgestellt hatte, dass es sich bei den Kathodenstrahlen um negativ geladene Materieteilchen handelte, ging er der Frage nach, um was für Teilchen es sich handelte: „Was sind diese Teilchen? Sind es Atome oder Moleküle oder Materie in einem noch feineren Zustand der Unterteilung“ (S. 302). Um diese Frage zu untersuchen, führte Thomson Messungen des Verhältnisses von Ladung zu Masse von Kathodenstrahlen durch. Thomsons Methode nutzte sowohl die elektrostatische als auch die magnetische Ablenkung der Kathodenstrahlen.Die Apparatur ist in Abbildung 15 dargestellt. Sie enthielt auch ein Magnetfeld, das senkrecht zum elektrischen Feld und zur Flugbahn der Kathodenstrahlen erzeugt werden konnte.

Betrachten wir einen Strahl von Teilchen der Masse \(m\), der Ladung\(e\) und der Geschwindigkeit \(v\). Angenommen, der Strahl durchläuft ein elektrisches Feld F im Bereich zwischen den Platten D und E, das eine Länge \(L\) hat. Die Zeit, die ein Teilchen benötigt, um diesen Bereich zu durchqueren, ist t = \bfrac{L}{v}\). Die elektrische Kraft, die auf das Teilchen wirkt, ist \(Fe\) und seine Beschleunigung \(a = \bfrac{Fe}{m}\). Die Ablenkung d am Ende der Region ist gegeben durch

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Betrachten wir nun eine Situation, in der der Kathodenstrahl gleichzeitig sowohl \(F\) als auch ein magnetisches Feld\(B\) in derselben Region durchläuft. Thomson stellte \(B\) so ein, dass der Strahl nicht abgelenkt wurde. Somit war die magnetische Kraft gleich der elektrostatischen Kraft.

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Dies bestimmte die Geschwindigkeit des Strahls. Auf diese Weise wurde jede der Größen in dem obigen Ausdruck gemessen, so dass der Wert von \(\bfrac{e}{m}\) oder \(\bfrac{m}{e}\) bestimmt werden konnte.

Mit dieser Methode fand Thomson einen Wert von \(\bfrac{m}{e}\) von \((1,29\pm 0,17)\times 10^{-7}\). Dieser Wert war sowohl vom Gas in der Röhre als auch vom verwendeten Metall in der Kathode unabhängig, was darauf hindeutet, dass die Teilchen Bestandteile der Atome aller Substanzen waren. Er war auch weitaus kleiner, um den Faktor 1000, als der kleinste bisher erhaltene Wert, \(10^{-4}\), der des Wasserstoff-Ions bei der Elektrolyse.

Thomson bemerkte, dass dies an der Kleinheit von \(m\) oder an der Großartigkeit von \(e\) liegen könnte. Er argumentierte, dass \(m\) klein sei und zitierte Lenards Arbeit über die Reichweite von Kathodenstrahlen in Luft. Die Reichweite, die mit der mittleren freien Weglänge für Kollisionen zusammenhängt und die von der Größe des Objekts abhängt, betrug 0,5 cm. Die mittlere freie Weglänge für Moleküle in Luft betrug etwa \(10^{-5}\) cm. Wenn der Kathodenstrahl so viel weiter als ein Molekül reiste, bevor er mit einem Luftmolekül kollidierte, argumentierte Thomson, dass er viel kleiner als ein Molekül sein musste.

Thomson hatte gezeigt, dass sich Kathodenstrahlen so verhalten, wie man es von negativ geladenen materiellen Teilchen erwarten würde. Sie deponierten negative Ladung auf einem Elektrometer und wurden sowohl von elektrischen als auch von magnetischen Feldern in die für eine negative Ladung passende Richtung abgelenkt.

Außerdem war der Wert für das Verhältnis von Masse zu Ladung weitaus kleiner als der kleinste bisher ermittelte Wert, der des Wasserstoffions. Wäre die Ladung die gleiche wie die des Wasserstoffions, wäre die Masse weitaus geringer. Darüber hinaus reisten die Kathodenstrahlen in der Luft weiter als Moleküle, was ebenfalls bedeutet, dass sie kleiner als ein Atom oder Molekül waren. Thomson schloss daraus, dass diese negativ geladenen Teilchen Bestandteile von Atomen waren. Mit anderen Worten: Thomsons Experimente gaben uns gute Gründe, an die Existenz von Elektronen zu glauben.

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