Appendice 7: Prove per una nuova entità: J.J. Thomson e l’elettrone
Discutendo l’esistenza degli elettroni Ian Hacking ha scritto: “Per quanto mi riguarda, se puoi spruzzarli allora sono reali” (Hacking 1983, p. 23). Ha proseguito elaborando questo punto di vista. “Siamo completamente convinti della realtà degli elettroni quando ci accingiamo a costruire – e spesso riusciamo a costruire – nuovi tipi di dispositivi che utilizzano varie proprietà causali ben comprese degli elettroni per interferire in altre parti più ipotetiche della natura” (p. 265).
Hacking era preoccupato che la semplice manipolazione della prima citazione, il cambiamento della carica su una goccia d’olio o su una sfera diniobio superconduttore, che coinvolge solo la carica dell’elettrone, fosse un motivo sufficiente per credere negli elettroni. La sua seconda illustrazione, che riteneva più convincente perché coinvolgeva diverse proprietà dell’elettrone, era quella di Peggy II, una fonte di elettroni polarizzati costruita allo Stanford Linear Accelerator Center alla fine degli anni 70. Peggy II fornì elettroni polarizzati per un esperimento che spargeva elettroni dal deuterio per studiare la debole corrente neutra. Anche se sono d’accordo con Hacking sul fatto che la manipolabilità può spesso fornirci motivi per credere in un’entità teorica, la sua illustrazione viene molto più isolata. I fisici stavano manipolando l’elettrone nel senso di Hacking all’inizio del ventesimo secolo. Credevano nell’esistenza degli elettroni ben prima di Peggy II, e io sosterrò che avevano buone ragioni per quella convinzione.
La posizione che adotto è quella che potrebbe ragionevolmente essere chiamata realismo “congetturale”. È congetturale perché, pur avendo buone ragioni per credere nell’esistenza di un’entità o nella verità di una legge scientifica, potremmo sbagliarci. Un tempo gli scienziati avevano buone ragioni per credere nel flogisto e nel calorico, sostanze che ora abbiamo buone ragioni per credere che non esistano. La mia posizione comprende sia la visione di Sellars secondo cui “avere una buona ragione per sostenere una teoria è ipsofacto avere una buona ragione per sostenere che le entità postulate dalla teoria esistono” (Sellars 1962, p. 97), sia il “realismo delle entità” proposto da Cartwright (1983) e da Hacking (1983). Sia Hacking, come già detto, che Cartwright sottolineano la manipolabilità di un’entità come criterio per credere nella sua esistenza. Cartwright sottolinea anche il ragionamento causale come parte della sua credenza nelle entità. Nella sua discussione sul funzionamento di una camera a nubi afferma: “…se non ci sono elettroni nella camera a nubi, non so perché le tracce sono lì” (Cartwright, 1983, p. 99). In altre parole, se tali entità non esistono, allora non abbiamo nessuna storia causale plausibile da raccontare. Sia Hacking che Cartwright concedono l’esistenza a entità come gli elettroni, ma non concedono uno status “reale” né alle leggi né alle teorie che possono postulare o applicare a tali entità.
In contrasto con Cartwright e Hacking, suggerisco che possiamo anche avere buone ragioni per credere nelle leggi e nelle teorie che governano il comportamento delle entità, e che molte delle loro illustrazioni implicitamente coinvolgono tali leggi. Ho sostenuto altrove la convinzione della realtà delle leggi scientifiche (Franklin 1996). In questa sezione mi concentrerò sulla realtà e l’esistenza delle entità, in particolare dell’elettrone. Sono d’accordo sia con Hacking che con Cartwright che possiamo andare oltre Sellars e avere buone ragioni per credere nelle entità anche senza leggi. Hacking e Cartwright enfatizzano la sperimentazione sulle entità. Io sosterrò che sperimentare sulle entità e misurare le loro proprietà può anche fornire motivi per credere nella loro esistenza.
In questa sezione discuterò i motivi per credere nell’esistenza dell’elettrone esaminando gli esperimenti di J.J. Thomson sui raggi catodici. Il suo esperimento del 1897 sui raggi catodici è generalmente considerato come la “scoperta” dell’elettrone.
Lo scopo degli esperimenti di J.J. Thomson fu chiaramente dichiarato nell’introduzione al suo articolo del 1897.
Gli esperimenti discussi in questo articolo furono intrapresi nella speranza di ottenere alcune informazioni sulla natura dei raggi catodici. Su questi raggi si hanno le opinioni più diverse; secondo l’opinione quasi unanime dei fisici tedeschi essi sono dovuti a qualche processo nell’etere al quale – poiché in un campo magnetico uniforme il loro corso è circolare e non rettilineo – nessun fenomeno finora osservato è analogo: un’altra opinione su questi raggi è che, lungi dall’essere interamente eterei, essi sono infatti interamente materiali, e che segnano i percorsi di particelle di materia caricate con elettricità negativa (Thomson 1897, p. 293). 293).
Il primo ordine del giorno di Thomson fu quello di dimostrare che i raggi catodici trasportavano carica negativa. Questo era stato presumibilmente dimostrato in precedenza da Perrin. Perrin mise due cilindri metallici coassiali, isolati l’uno dall’altro, di fronte ad un catodo piano. I cilindri avevano ciascuno un piccolo foro attraverso il quale i raggi catodici potevano passare sul cilindro interno. Quando i raggi catodici passavano nel cilindro interno, un elettroscopio collegato ad esso mostrava la presenza di una carica elettrica negativa. Quando i raggi catodici venivano riflessi magneticamente in modo che non passassero attraverso i fori, non veniva rilevata alcuna carica. “Ora i sostenitori della teoria eterea non negano che particelle elettrificate vengano sparate dal catodo; essi negano, tuttavia, che queste particelle cariche abbiano più a che fare con i raggi catodici di quanto una palla di fucile abbia a che fare con il lampo quando un fucile viene sparato” (Thomson 1897, p. 294).
Thomson ripeté l’esperimento, ma in una forma che non era aperta a questa obiezione. L’apparato è mostrato nella figura 14. I due cilindri coassiali con i fori sono mostrati. Il cilindro esterno era collegato a terra e quello interno ad un elettrometro per rilevare qualsiasi carica. I raggi catodici provenienti daA passano nella lampadina, ma non entrerebbero nei fori dei cilindri a meno che non siano deviati da un campo magnetico.
Figura 14.L’apparato di Thomson per dimostrare che i raggi catodici hanno carica negativa. Sono mostrate le fessure nei cilindri. Da Thomson (1897).
Quando i raggi catodici (il cui percorso era tracciato dalla fosforescenza sul vetro) non cadevano sulla fenditura, la carica elettrica inviata all’elettrometro quando la bobina di induzione che produceva i raggi era in azione era piccola e irregolare; quando, invece, i raggi erano piegati da un magnete in modo da cadere sulla fenditura c’era una grande carica di elettricità negativa inviata all’elettrometro…. Se i raggi erano così piegati dal magnete da superare le fessure del cilindro, la carica che passava nel cilindro cadeva di nuovo ad una frazione molto piccola del suo valore quando la mira era vera. Così questo esperimento dimostra che, per quanto noi torciamo e deviamo i raggi catodici con forze magnetiche, l’elettrificazione negativa segue lo stesso percorso dei raggi, e che questa elettrificazione negativa è indissolubilmente collegata ai raggi catodici (Thomson 1897, p. 294-295, corsivo aggiunto).
Questo esperimento dimostrò anche che i raggi catodici venivano deviati da un campo magnetico esattamente nel modo in cui ci si aspetterebbe se fossero particelle materiali caricate negativamente.
Figura 15.L’apparecchio di Thomson per dimostrare che i raggi catodici vengono deviati da un campo elettrico. Fu anche usato per misurare (\bfrac{m}e}). Da Thomson (1897).
C’era, comunque, un problema per la visione che i raggi catodici fossero particelle con carica negativa. Diversi esperimenti, in particolare quelli di Hertz, non erano riusciti ad osservare la deflessione dei raggi catodici da parte di un campo elettrostatico. Thomson procedette a rispondere a questa obiezione. Il suo apparato è mostrato nella figura 15. I catodi provenienti da C passano attraverso una fessura nell’anodo A, e attraverso un’altra illuminata a B. Poi passano tra le piastre D ed E e producono una stretta macchia fosforescente ben definita alla fine del tubo, che ha anche una scala attaccata per misurare qualsiasi deflessione. Quando Hertz aveva eseguito l’esperimento non aveva trovato alcuna deflessione quando una differenza di potenziale era applicata attraverso D ed E. Egli concluse che le proprietà elettrostatiche del raggio catodico sono nulle o molto deboli. Thomson ammise che quando eseguì per la prima volta l’esperimento anche lui non vide alcun effetto. “Ripetendo questo esperimento ottenni dapprima lo stesso risultato, ma gli esperimenti successivi dimostrarono che l’assenza di deflessione è dovuta alla conduttività conferita al gas rarefatto dai raggi catodici”. Misurando questa conduttività si scoprì che diminuiva molto rapidamente all’aumentare dell’esaurimento; sembrava che provando l’esperimento di Hertz ad un esaurimento molto alto ci potesse essere la possibilità di rilevare la deflessione dei raggi catodici mediante una forza elettrostatica (Thomson 1897, p. 296).Thomson eseguì l’esperimento a una pressione inferiore e osservò la deflessione.
Thomson concluse:
Poiché i raggi catodici portano una carica di elettricità negativa, sono deviati da una forza elettrostatica come se fossero negativamente elettrificati, e sono agiti da una forza magnetica proprio nel modo in cui questa forza agirebbe su un corpo negativamente elettrificato che si muove lungo il percorso di questi raggi, non vedo alcuna via di fuga dalla conclusione che essi sono cariche di elettricità negativa trasportate da particelle di materia. (Thomson 1897, p. 302)
Avendo stabilito che i raggi catodici erano particelle di materia caricate negativamente, Thomson passò a discutere cosa fossero le particelle: “Cosa sono queste particelle? Sono atomi, o molecole, o materia in uno stato di suddivisione ancora più fine” (p. 302). Per indagare questa domanda Thomson fece delle misurazioni sul rapporto tra carica e massa dei raggi catodici. Il metodo di Thomson usava sia la riflessione elettrostatica che magnetica dei raggi catodici. L’apparecchio è mostrato in figura 15. Includeva anche un campo magnetico che poteva essere creato perpendicolarmente sia al campo elettrico che alla traiettoria dei raggi catodici.
Consideriamo un fascio di particelle di massa \(m) carica \(e), e velocità \(v). Supponiamo che il fascio passi attraverso un campo elettrico F nella regione tra le piastre D ed E, che ha una lunghezza \(L\). Il tempo per una particella di passare attraverso questa regione \(t = \bfrac{L}{v}\). La forza elettrica sulla particella è (Fe) e la sua accelerazione (a = \bfrac{Fe}{m}). La deflessione d alla fine della regione è data da
Si consideri ora una situazione in cui il fascio di raggi catodici passa contemporaneamente attraverso sia \(F\) che un campo magnetico \(B\) nella stessa regione. Thomson regolò \(B) in modo che il fascio fosse indeflesso. Così la forza magnetica era uguale alla forza elettrostatica.
Questo determinò la velocità del fascio. Così,
Ognuna delle quantità nell’espressione di cui sopra fu misurata in modo che il \(\bfrac{e}{m})o \(\bfrac{m}{e})potesse essere determinato.
Utilizzando questo metodo Thomson trovò un valore di \(\bfrac{m}{e})di \((1.29\pm 0.17)\times 10^{-7}). Questo valore era indipendente sia dal gas nel tubo che dal metallo usato nel catodo, suggerendo che le particelle erano costituenti degli atomi di tutte le sostanze. Era anche molto più piccolo, di un fattore 1000, del più piccolo valore precedentemente ottenuto, \(10^{-4}), quello dello ione idrogeno nell’elettrolisi.
Thomson osservò che questo potrebbe essere dovuto alla piccolezza di \(m) o alla grandezza di \(e). Egli sosteneva che \m fosse piccolo citando il lavoro di Lenard sulla portata dei raggi catodici nell’aria. Il raggio d’azione, che è legato al percorso libero medio per le collisioni, e che dipende dalla dimensione dell’oggetto, era di 0,5 cm. Il percorso libero medio delle molecole nell’aria era di circa \(10^{-5}) cm. Se il raggio catodico viaggiava così tanto più lontano di una molecola prima di scontrarsi con una molecola d’aria, Thomson sosteneva che doveva essere molto più piccolo di una molecola.
Thomson aveva dimostrato che i raggi catodici si comportano come ci si aspetta che si comportino le particelle materiali caricate negativamente. Depositarono una carica negativa su un elettrometro, e furono deviati da entrambi i campi elettrici e magnetici nella direzione appropriata per una carica negativa.Inoltre il valore del rapporto massa/carica era molto più piccolo del più piccolo valore precedentemente ottenuto, quello dello ione idrogeno. Se la carica fosse uguale a quella dello ione idrogeno, la massa sarebbe molto inferiore. Inoltre, i raggi catodici viaggiavano più lontano nell’aria che le molecole, il che implicava anche che erano più piccoli di un atomo o di una molecola. Thomson concluse che queste particelle caricate negativamente erano costituenti di atomi. In altre parole, gli esperimenti di Thomson ci avevano dato buone ragioni per credere nell’esistenza degli elettroni.
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