Anexo 7: Evidências para uma Nova Entidade: J.J. Thomson and the Electron
Ao discutir a existência de electrões Ian Hacking escreveu, “No que me diz respeito, se os puderes pulverizar, então eles são reais”(Hacking 1983, p. 23). Ele continuou a elaborar este ponto de vista. “Estamos completamente convencidos da realidade dos electrões quando nos propusemos a construir – e muitas vezes conseguimos construir – novos tipos de dispositivos que utilizam várias propriedades causais bem compreendidas dos electrões para interferir noutras partes mais hipotéticas da natureza” (p. 265).
Hacking preocupou-se que a simples manipulação da primeira citação,a alteração da carga numa gota de óleo ou numa esfera supercondutora denióbio, que envolve apenas a carga do electrão, não fosse motivo suficiente para acreditar nos electrões. A sua segunda ilustração, que ele acreditava mais convincente porque envolvia várias propriedades do electrão, era a de Peggy II, uma fonte de electrões polarizados construída no Centro Acelerador Linear de Stanford no final da década de 1970. Peggy II forneceu elétrons polarizados para uma experiência que espalhou elétrons do deutério para investigar a corrente neutra fraca. Embora concorde com Hacking que a manipulabilidade pode muitas vezes dar-nos razões para acreditarmos numa entidade teórica, a sua ilustração vem de longe instrumentalizada. Os físicos estavam a manipular o electrão no sentido de Hacking no início do século XX. Eles acreditavam na existência de electrões muito antes de Peggy II, e eu argumentarei que eles tinham bons motivos para essa crença.
A posição que eu adopto é uma que pode ser razoavelmente chamada de realismo “conjectural”. É conjectural porque, apesar de termos bons motivos para acreditar na existência de uma entidade ou na verdade do direito ascientífico, podemos estar errados. Em tempos, os cientistas tinham bons motivos para acreditar no phlogiston e nas substâncias calóricas, substâncias que agora temos boas razões para acreditar que não existem. A minha posição inclui tanto a opinião de Sellars de que “ter uma boa razão para ter uma teoria é ipsofacto ter uma boa razão para ter a certeza de que as entidades postuladas pela teoria existem” (Sellars 1962, p. 97), como o “realismo da entidade” proposto por Cartwright (1983) e por Hacking (1983). Tanto Hacking, como acima referido, como Cartwright enfatizam a manipulabilidade de uma entidade como um critério de crença na sua existência. Cartwright também enfatiza o raciocínio de motivação como parte da sua crença em entidades. Na sua discussão sobre o funcionamento de uma câmara de nuvem ela afirma, “…se há noelectrões na câmara de nuvem, não sei porque é que as pistas estão lá” (Cartwright, 1983, p.99). Por outras palavras, se tais entidades não existem, então não temos uma história causal plausível para contar. Tanto Hacking como Cartwright concedem a existência a entidades como os electrões, mas não conferem o estatuto “real” nem a leis nem a teorias, que podem postular orapply a tais entidades.
Em contraste com Cartwright e Hacking, sugiro que nós canalizamos também boas razões para acreditar nas leis e teorias que regem o comportamento das entidades, e que várias das suas ilustrações envolvem de forma implícita tais leis. Tenho defendido noutros lugares a crença na realidade das leis científicas (Franklin 1996). Nesta secção concentrar-me-ei na realidade e existência de entidades, em particular, o electrão. Concordo com Hacking e Cartwright que podemos ir além de Sellars e ter boas razões para acreditar em entidades, mesmo sem leis. O Hacking e Cartwright enfatizam a experimentação com entidades. Argumentarei que experimentar entidades e medir as suas propriedades também pode fornecer fundamentos para a crença na sua existência.
Nesta secção discutirei os fundamentos para a crença na existência do electrão ao examinar as experiências de J.J. Thomson com raios oncathode. A sua experiência de 1897 sobre os raios catódicos é geralmente considerada como a “descoberta” do electrão.
O objectivo das experiências de J.J. Thomson foi claramente declarado na introdução ao seu artigo de 1897.
As experiências discutidas neste artigo foram realizadas na esperança de obter algumas informações sobre a natureza dos Raios Catódicos. As opiniões mais diversificadas são mantidas quanto a estes raios; segundo a opinião quase unânime dos físicos alemães, eles são devidos a algum processo no éter a que – como num campo magnético uniforme – o seu curso é circular e não rectilíneo – nenhum fenómeno até agora observado é análogo: uma outra visão destes raios é que, até agora, sendo totalmente aéreos, são de facto totalmente materiais, e que marcam os caminhos das partículas de matéria carregadas com electricidade negativa (Thomson 1897, p. 293).
A primeira ordem de trabalhos de Thomson foi mostrar que os raios catódicos transportados com carga negativa. Isto tinha presumivelmente sido demonstrado anteriormente por Perrin. Perrin colocou dois cilindros de metal coaxial, isolados de um outro, em frente de um cátodo plano. Cada um dos cilindros tinha um pequeno orifício através do qual os raios catódicos podiam passar para o cilindro interior. O cilindro exterior estava ligado à terra. Quando os raios catódicos passaram para o cilindro interior, um electroscópio ligado ao mesmo mostrou a presença de carga eléctrica anegativa. Quando os raios catódicos foram desviados magneticamente para que não passassem através dos orifícios, nenhuma carga foi detectada. “Agora os apoiantes da teoria aérea não negam que as partículas de ígnios electrificados sejam disparadas do cátodo; negam, contudo, que estas partículas carregadas tenham mais a ver com os raios do cátodo do que uma bola de espingarda tem com o flash quando uma espingarda é disparada” (Thomson 1897, p. 294).
Thomson repetiu a experiência, mas de uma forma que não foi aberta a qualquer objecção. O aparelho é mostrado na Figura 14.Os dois cilindros coaxiais com furos são mostrados. O cilindro exterior foi ligado à terra e o interior foi ligado a um electrómetro para detectar qualquer carga. Os raios catódicos deA passam para o bulbo, mas não entrariam nos orifícios dos cilindros sem desvio por um campo magnético.
Figure 14.Thomson’s apparatus for demonstrating that cathode raysode rayshave negative charge. São mostradas as ranhuras nos cilindros. DeThomson (1897).
Quando os raios catódicos (cujo caminho foi traçado pela fosforescência no vidro) não caíram na fenda, a carga eléctrica enviada para o electrómetro quando a bobina de indução que produzia os raios foi colocada em inacção era pequena e irregular; quando, no entanto, os raios foram dobrados por imã de modo a caírem na fenda, houve uma grande carga de electricidade negativa enviada para o electrómetro…. Se os raios estavam tão dobrados pelo íman que ultrapassavam as fendas no cilindro, a carga de carga no cilindro caiu novamente para uma fracção muito pequena do seu valor quando o objectivo era verdadeiro. Assim, esta experiência mostra que, sempre que torcemos e desviamos os raios catódicos por forças magnéticas, a electrificação negativa segue o mesmo caminho que os raios, e que esta electrificação negativa está indissoluvelmente ligada aos raios catódicos (Thomson 1897, p. 294-295, ênfase acrescentada).
Esta experiência também demonstrou que os raios catódicos foram desviados por um campo magnético exactamente da forma que se esperaria se fossem partículas materiais carregadas de formaegativa.
Figure 15.O aparelho de Thomson para demonstrar que os raios catódicos são desviados por um campo eléctrico. Foi também utilizado para medir o “bfrac{m}{e}). De Thomson (1897).
Existia, contudo, um problema para a visão de que os raios catódicos eram partículas com carga catódica. Várias experiências, em particular as de Hertz, não tinham conseguido observar a deflexão dos raios catódicos pelo campo aneleo-estático. Thomson procedeu para responder a esta objecção. O Hisapparatus é mostrado na figura 15. Os catóderos de C passam por uma fenda no ânodo A, e por outra fenda em B. Passaram então entre as placas D e E e produziram uma coroa bem definida de fosforescência na extremidade do tubo, que também tinha uma escala fixada para medir qualquer deflexão. Quando Hertz realizou a experiência, não encontrou qualquer deflexão quando uma potencial diferença foi aplicada em D e E. Concluiu que as propriedades electrostáticas do raio catódico são ou nulas ou muito fracas. Thomson admitiu que quando realizou a primeira experiência, também não viu qualquer efeito. “ao repetir esta experiência, obtive inicialmente o mesmo resultado, mas as experiências subsequentes mostraram que a ausência de deflexão é devida à condutividade conferida ao gás rarefeito pelos raios catódicos”. Ao medir esta condutividade verificou-se que ela diminuiu muito rapidamente à medida que a exaustão aumentava; parecia que ao tentar a experiência de Hertz com uma exaustão muito elevada poderia haver uma hipótese de detectar a deflexão dos raios catódicos por uma força electrostática (Thomson 1897, p. 296).Thomson realizou a experiência a uma pressão mais baixa e observou a deflexão.
Thomson concluiu:
Como os raios catódicos transportam uma carga de electricidade negativa, são desviados por uma força electrostática, como se fossem electrificados negativamente, e são actuados por uma força magnética exactamente na forma em que esta força actuaria sobre um corpo electrificado negativamente em movimento ao longo do trajecto destes raios, não vejo qualquer fuga à conclusão de que são cargas de electricidade negativa transportadas por partículas de matéria. (Thomson 1897, p. 302)
Having estabeleceu que os raios catódicos eram partículas de material carregado negativamente, Thomson continuou a discutir o que eram as partículas: “O que são estas partículas? são átomos, ou moléculas, ou matéria em estado ainda mais fino de subdivisão” (p. 302). Para investigar esta questão, Thomson fez medições sobre a relação carga/massa dos raios catódicos. O método de Thomson utilizou tanto a deflexão electrostática como a deflexão magnética dos raios catódicos. O aparelho é mostrado na Figura 15. Também incluiu um campo magnético que poderia ser criado perpendicularmente ao campo eléctrico e à trajectória dos raios catódicos.
p>Deixe-nos considerar um feixe de partículas de carga de massa, e velocidade. Suponhamos que o feixe passa através do campo aneeléctrico F na região entre as placas D e E, que tem comprimento L. O tempo para uma partícula passar por esta região (t = bfrac{L}{v}). A força eléctrica sobre a partícula é (Fe) e a sua aceleração (a = bfrac (Fe) (m)). A deflexão d no final da região é dada porp>P>Agora considere uma situação em que o feixe de raios catódicos passa simultaneamente através de ambos os raios (F) e de um campo magnético (B) na mesma região. Thomson ajustou o feixe de modo a que o feixe não fosse desviado. Assim, a força magnética foi igual à força electrostática.
p>Esta determinou a velocidade do feixe. Assim,
p>p>Cada uma das quantidades na expressão acima foi medida para que a(bfrac{e}{m}) ou a(bfrac{m}{e}) pudesse ser determinada.p>Utilizando este método Thomson encontrou um valor de {bfrac{m}((1.29pm 0.17)vezes 10^{-7}). Este valor era independente tanto do gás no tubo como do metal utilizado no cátodo, sugerindo que as partículas eram constituintes dos átomos de todas as substâncias. Era também muito menor, por um factor de 1000, do que o mais pequeno valor anteriormente obtido, (10 ^ 4), o da inelectrólise do ião de hidrogénio.p>Thomson observou que isto poderia ser devido à pequenez do (m) ou à grandeza do (e). Argumentou que era pequeno citando o trabalho de Lenard sobre a gama de raios catódicos no ar. Therange, que está relacionado com o caminho médio livre para colisões, e que depende do tamanho do objecto, era de 0,5 cm. O caminho livre médio para as moléculas no ar era de aproximadamente ^(10^{-5}) cm. Se o catódromo viajou muito mais longe do que uma molécula antes de colidir com uma molécula de aníris, Thomson argumentou que deve ser muito mais pequeno do que uma molécula.
Thomson tinha mostrado que os raios catódicos se comportam como seria de esperar que partículas materiais carregadas de formaegativa se comportassem. Além disso, o valor da relação massa/carga era muito menor do que o valor mais pequeno anteriormente obtido, o do ião de hidrogénio. Se a carga fosse a mesma que no ião de hidrogénio, a massa seria menor. Além disso, os raios catódicos viajavam mais longe nas moléculas candidatas ao ar, implicando também que eram mais pequenos do que um átomo ou uma molécula. Thomson concluiu que estas partículas carregadas negativamente eram constituintes de átomos. Por outras palavras, as experiências de Thomson tinham-nos dado boas razões para acreditarmos na existência de electrões.
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