Dodatek 7: Evidence for a New Entity: J.J. Thomson and the Electron
W dyskusji nad istnieniem elektronów Ian Hacking napisał: „So far as I’m concerned, if you can spray them then they are real”(Hacking 1983, s. 23). Dalej rozwinął ten pogląd. „Jesteśmy w pełni przekonani o realności elektronów, kiedy stawiamy sobie za cel zbudowanie – i często udaje nam się zbudować – nowych rodzajów urządzeń, które wykorzystują różne dobrze rozumiane właściwości przyczynowe elektronów do ingerencji w inne, bardziej hipotetyczne części natury” (str. 265).
Hacking martwił się, że prosta manipulacja z pierwszego cytatu, zmiana ładunku na kropli oleju lub na nadprzewodzącej kuli niobowej, która angażuje tylko ładunek elektronu, była niewystarczającą podstawą do wiary w elektrony. Drugą ilustracją, którą uważał za bardziej przekonującą, ponieważ dotyczyła kilku właściwości elektronu, była ilustracja Peggy II, źródła spolaryzowanych elektronów zbudowanego w Stanford Linear Accelerator Center pod koniec lat 70-tych. Peggy II dostarczyła spolaryzowanych elektronów do eksperymentu, który rozpraszał elektrony z deuteru w celu zbadania słabego prądu neutralnego. Chociaż zgadzam się z Hackingiem, że możliwość manipulacji może często dostarczyć nam podstaw do wiary w teoretyczny byt, to jego ilustracja jest dalece niewystarczająca. Fizycy manipulowali elektronem w sensie Hackinga na pocz±tku XX wieku. Wierzyli w istnienie elektronów na długo przed Peggy II, a ja będę argumentował, że mieli ku temu dobre powody.
Stanowisko, które przyjmuję, to takie, które można zasadnie nazwać realizmem „domysłowym”. Jest ono domniemane, ponieważ, pomimo posiadania dobrych powodów, by wierzyć w istnienie istoty lub w prawdziwość naukowego prawa, możemy się mylić. Swego czasu naukowcy mieli dobry powód, by wierzyć w istnienie flogistonu i kalorii, substancji, co do których mamy teraz dobry powód, by wierzyć, że nie istnieją. Moje stanowisko obejmuje zarówno pogląd Sellarsa, że „mieć dobry powód do posiadania teorii to ipsofacto mieć dobry powód do posiadania, że byty postulowane przez tę teorię istnieją” (Sellars 1962, s. 97), jak i „realizm podmiotowy” zaproponowany przez Cartwrighta (1983) i Hackinga (1983). Zarówno Hacking, o czym była mowa powyżej, jak i Cartwright podkreślają możliwość manipulowania podmiotem jako kryterium wiary w jego istnienie. Cartwright podkreśla również rozumowanie przyczynowe jako część jej wiary w byty. W swojej dyskusji na temat działania komory chmurowej stwierdza: „…jeśli w komorze chmurowej nie ma żadnych elektronów, nie wiem, dlaczego są tam ścieżki” (Cartwright, 1983, s. 99). Innymi słowy, jeśli takie byty nie istnieją, to nie mamy do opowiedzenia żadnej wiarygodnej historii przyczynowej. Zarówno Hacking, jak i Cartwright przyznają istnienie bytom takim jak elektrony, ale nie przyznają „prawdziwego” statusu ani prawom, ani teoriom, które mogą postulować lub odnosić się do takich bytów.
W przeciwieństwie do Cartwright i Hackinga, sugeruję, że możemy również mieć dobre powody, by wierzyć w prawa i teorie rządzące zachowaniem bytów, i że kilka z ich ilustracji implicite obejmuje takie prawa. I have argued elsewhere for beliefin the reality of scientific laws (Franklin 1996). W tym rozdziale skoncentruję się na realności i istnieniu podmiotów, w szczególności elektronu. Zgadzam się zarówno z Hackingiem, jak i Cartwright, że możemy wyjść poza Sellarsa i mieć dobre powody, aby wierzyć w byty nawet bez praw. Hacking i Cartwright kładą nacisk na eksperymentowanie z bytami. Będę argumentował, że eksperymentowanie na bytach i mierzenie ich własności może również dostarczyć podstaw do wiary w ich istnienie.
W tym rozdziale omówię podstawy wiary w istnienie elektronu, analizując eksperymenty J.J. Thomsona na promieniach katodowych. Jego eksperyment z 1897 roku na promieniach katodowych jest ogólnie uważany za „odkrycie” elektronu.
Cel eksperymentów J.J. Thomsona został jasno określony we wstępie do jego pracy z 1897 roku.
Eksperymenty omawiane w tej pracy zostały podjęte w nadziei uzyskania pewnych informacji co do natury promieni katodowych. Najbardziej zróżnicowane opinie są utrzymywane w odniesieniu do tych promieni; zgodnie z prawie jednomyślną opinią niemieckich fizyków są one ze względu na pewien proces w eterze, do którego – tak jak w jednolitym polu magnetycznym ich przebieg jest okrągły, a nie prostoliniowy – żadne zjawisko dotychczas obserwowane nie jest analogiczne: inny pogląd na te promienie jest taki, że tak daleko od bycia całkowicie eterycznym, są one w rzeczywistości całkowicie materialne, i że oznaczają one drogi cząstek materii naładowanych ujemną elektrycznością (Thomson 1897, str. 293).
Pierwszym zadaniem Thomsona było wykazanie, że promienie katodowe niosą ładunek ujemny. Przypuszczalnie zostało to już wcześniej wykazane przez Perrina. Perrin umieścił dwa współosiowe metalowe cylindry, izolowane od siebie, przed płaską katodą. Każdy z cylindrów miał mały otwór, przez który promienie katodowe mogły przechodzić na wewnętrzny cylinder. Kiedy promienie katodowe przechodziły do wewnętrznego cylindra, przymocowany do niego elektroskop wykazywał obecność ujemnego ładunku elektrycznego. Kiedy promienie katodowe były magnetycznie odbijane tak, że nie przechodziły przez otwory, nie wykrywano żadnego ładunku. „Zwolennicy teorii eterycznej nie zaprzeczają, że z katody wystrzeliwane są naelektryzowane cząstki; zaprzeczają jednak, że te naładowane cząstki mają więcej wspólnego z promieniami katodowymi niż kula karabinowa z błyskiem, gdy karabin jest wystrzeliwany” (Thomson 1897, str. 294).
Thomson powtórzył eksperyment, ale w formie, która nie była otwarta na ten zarzut. Aparatura jest pokazana na rysunku 14. Dwa współosiowe cylindry z otworami są pokazane. Zewnętrzny cylinder był uziemiony, a wewnętrzny podłączony do elektrometru w celu wykrycia ładunku. Promienie katodowe zA przechodzą do żarówki, ale nie wchodzą do otworów w cylindrach, chyba że są odchylane przez pole magnetyczne.
Rysunek 14.Aparat Thomsona do wykazania, że promienie katodowe mają ładunek ujemny. Pokazane są szczeliny w cylindrach. Z Thomson (1897).
Gdy promienie katodowe (których droga była śledzona przez fosforescencję na szkle) nie padały na szczelinę, ładunek elektryczny wysyłany do elektrometru, gdy cewka indukcyjna wytwarzająca promienie była wprawiona w ruch, był mały i nieregularny; gdy jednak promienie były zginane przez magnes tak, że padały na szczelinę, do elektrometru wysyłany był duży ładunek elektryczności ujemnej…. Jeśli promienie zostały tak mocno ugięte przez magnes, że przebiły szczelinę w cylindrze, ładunek przechodzący do cylindra spadł ponownie do bardzo małego ułamka wartości, gdy cel był prawdziwy. Tak więc eksperyment ten pokazuje, że niezależnie od tego, jak skręcimy i odchylimy promienie katodowe za pomocą sił magnetycznych, ujemne naelektryzowanie podąża tą samą drogą, co promienie, i że to ujemne naelektryzowanie jest nierozerwalnie związane z promieniami katodowymi (Thomson 1897, s. 294-295, podkreślenia dodane).
Doświadczenie to wykazało również, że promienie katodowe były odchylane przez pole magnetyczne w dokładnie taki sposób, jakiego można by się spodziewać, gdyby były to ujemnie naładowane cząstki materialne.
Rysunek 15.Aparat Thomsona do wykazania, że promienie katodowe są odchylane przez pole elektryczne. Służył on również do pomiaru współczynnika odbicia promieni katodowych (βfrac{m}{e}}). Z Thomson (1897).
Pojawił się jednak problem z poglądem, że promienie katodowe były cząstkami naładowanymi ujemnie. W kilku eksperymentach, w szczególności w eksperymencie Hertza, nie udało się zaobserwować odchylenia promieni katodowych przez pole elektrostatyczne. Thomson przystąpił do odpowiedzi na ten zarzut. Jego aparatura jest pokazana na rysunku 15. Promienie katodowe z C przechodzą przez szczelinę w anodzie A i przez inną oświetloną w B. Następnie przechodzą między płytami D i E i wytwarzają wąską, dobrze widoczną plamę fosforyzującą na końcu rury, do której dołączona jest skala do pomiaru odchylenia. Kiedy Hertz przeprowadził eksperyment, nie stwierdził żadnego odchylenia, gdy różnica potencjałów została przyłożona pomiędzy D i E. Wywnioskował, że właściwości elektrostatyczne katody są albo zerowe, albo bardzo słabe. Thomson przyznał, że kiedy po raz pierwszy przeprowadził to doświadczenie, również nie zauważył żadnego efektu. „Powtarzając ten eksperyment początkowo otrzymałem ten sam wynik, ale kolejne eksperymenty wykazały, że brak defleksji jest spowodowany przewodnictwem nadanym gazowi promieniom katodowym”. Przy pomiarze tego przewodnictwa stwierdzono, że maleje ono bardzo szybko wraz ze wzrostem wydechu; wydawało się, że przy próbie eksperymentu Hertza przy bardzo wysokim wydechu może istnieć szansa wykrycia ugięcia promieni katodowych przez siłę elektrostatyczną (Thomson 1897, str. 296).Thomson przeprowadził eksperyment przy niższym ciśnieniu i zaobserwował ugięcie.
Thomson doszedł do wniosku:
Jako że promienie katodowe niosą ładunek ujemnej elektryczności, są odchylane przez siłę elektrostatyczną, tak jakby były ujemnie naelektryzowane, i działają na nie siły magnetyczne w taki właśnie sposób, w jaki siła ta działałaby na ujemnie naelektryzowane ciało poruszające się wzdłuż drogi tych promieni, nie widzę ucieczki od wniosku, że są one ładunkami ujemnej elektryczności przenoszonymi przez cząstki materii. (Thomson 1897, s. 302)
Po ustaleniu, że promienie katodowe są ujemnie naładowanymi cząstkami materii, Thomson przeszedł do dyskusji, czym są te cząstki. „Czym są te cząstki? Czy są to atomy, czy molekuły, czy też materia w jeszcze drobniejszym stanie podziału” (s. 302). Aby odpowiedzieć na to pytanie, Thomson dokonał pomiarów stosunku ładunku do masy promieni katodowych. Metoda Thomsona wykorzystywała zarówno elektrostatyczne, jak i magnetyczne ugięcie promieni katodowych. Aparatura pokazana jest na rysunku 15. Zawierał on również pole magnetyczne, które można było wytworzyć prostopadle zarówno do pola elektrycznego jak i trajektorii promieni katodowych.
Rozważmy wiązkę cząstek o masie \(m), ładunku \(e) i prędkości \(v). Załóżmy, że wiązka przechodzi przez pole elektryczne F w obszarze pomiędzy płytami D i E, które ma długość ∗. Czas przejścia cząstki przez ten obszar wynosi t = \bfrac{L}{v}}. Siła elektryczna działająca na cząstkę to Fe, a jej przyspieszenie to a = βfrac{Fe}{m}). Odchylenie d na końcu obszaru jest dane przez
Rozważmy teraz sytuację, w której wiązka promieni katodowych przechodzi jednocześnie przez pole elektryczne i magnetyczne w tym samym obszarze. Thomson tak ustawił pole magnetyczne, że wiązka była nieodkształcona, a więc siła magnetyczna była równa sile elektrostatycznej.
To określiło prędkość wiązki. W ten sposób każda z wielkości w powyższym wyrażeniu została zmierzona, aby można było określić jej wartość.
Korzystając z tej metody, Thomson znalazł wartość prędkości wiązki równą ∗ razy 10^{-7}}. Wartość ta była niezależna zarówno od gazu w rurce, jak i od metalu użytego w katodzie, co sugeruje, że cząsteczki były składnikami atomów wszystkich substancji. Była ona również znacznie mniejsza, o współczynnik 1000, niż najmniejsza wartość otrzymana poprzednio, ∗(10^{-4}}}, wartość jonów wodoru w procesie elektrolizy.
Thomson zauważył, że może to być spowodowane małością ∗(m) lub wielkością ∗(e). Argumentował, że \u0026apos; powołując się na pracę Lenarda na temat zasięgu promieni katodowych w powietrzu. Zasięg, który jest związany ze średnią drogą swobodną dla zderzeń, a który zależy od wielkości obiektu, wynosił 0,5 cm. Średnia droga swobodna molekuł w powietrzu wynosiła około ∗(10^{-5}} cm). Skoro promień katodowy przebył drogę znacznie dłuższą niż cząsteczka, zanim zderzył się z nią, Thomson twierdził, że musi być znacznie mniejszy niż cząsteczka.
Thomson wykazał, że promienie katodowe zachowują się tak, jak można by oczekiwać od ujemnie naładowanych cząsteczek materiału. Odkładały one ujemny ładunek na elektrometrze i były odchylane zarówno przez pole elektryczne, jak i magnetyczne w kierunku właściwym dla ładunku ujemnego. Ponadto wartość stosunku masy do ładunku była znacznie mniejsza niż najmniejsza wartość uzyskana wcześniej, czyli jon wodoru. Gdyby ładunek był taki sam jak na jonie wodorowym, masa byłaby znacznie mniejsza. Ponadto, promienie katodowe podróżowały dalej w powietrzu niż cząsteczki, co również sugeruje, że były mniejsze niż atom lub cząsteczka. Thomson doszedł do wniosku, że te ujemnie naładowane cząstki były składnikami atomów. Innymi słowy, eksperymenty Thomsona dały nam dobre powody, by wierzyć w istnienie elektronów.
Wróć do Eksperymenty w fizyce