PER F. DAHL, Flash of the Cathode Rays: A History of J.J. Thomson's Electron.
Institute of Physics Publishing, Bristol, 1997; 526 blz.
E.A. DAVIS & I.J. FALCONER, J.J. Thomson and the Discovery of the Electron.
Taylor & Francis, London, 1997; 243 blz.
MICHAEL SPRINGFORD, editor, Electron: A Centenary Volume.
Cambridge University Press, Cambridge, 1997; 330 blz.
De eeuw die we nu gaan afsluiten heet wel de eeuw van de
elektronische revolutie, vanwege de opkomst van de elektronische
industrie en het doordringen van de elektronica in alle hoeken van de
samenleving. Het werkpaard van de elektronica is het elektron, het
kleinste van alle elementaire deeltjes en één van de
lichtste. Het elektron is snel en wendbaar. Omdat het een lading
heeft, is het eenvoudig aan te sturen met behulp van een elektrisch
veld. Dit gebeurt miljoenen keren per seconde in een
computerchip.
Het elektron werd ontdekt als het eerste van de elementaire deeltjes
in de laatste jaren van de vorige eeuw, vóór het proton
en het neutron, de andere twee bouwstenen van het atoom. Het
eeuwfeest van de ontdekking is aanleiding geweest voor het
verschijnen van twee monografieën, één van de hand
van Per F. Dahl, de ander van E.A. Davis & I.J. Falconer, en van
een verzameling artikelen onder redactie van Michael Springford.
Centraal in zowel Flash of the Cathode Rays: A History of J.J.
Thomson's Electron als in J.J. Thomson and the Discovery of
the Electron staat de persoon van de Britse fysicus Joseph John
Thomson (1856-1940), die in Cambridge in 1897 het baanbrekende
experiment uitvoerde dat doorslaggevend zou blijken voor de
acceptatie door de wetenschappelijke gemeenschap van het bestaan van
het elektron. Flash of the Cathode Rays blijft echter niet
stilstaan bij Thomson maar plaatst de ontdekking in een veel breder
historisch en internationaal verband. Het is daardoor verreweg het
meest interessante van de twee boeken. De ontdekking van het elektron
was namelijk niet een eenmanszaak, maar een wedloop waarin Engelse,
Duitse, Franse en Nederlandse natuurkundigen streden om de verklaring
van dat wonderlijke verschijnsel dat elektriciteit heet.
Het woord elektriciteit komt van het Griekse woord voor
barnsteen. De oude Grieken wisten dat barnsteen, indien het wordt
opgewreven, haren en andere lichte voorwerpen aantrekt. Gedurende
vele eeuwen meende men dat dit verschijnsel een eigenschap was van
het materiaal barnsteen en van hooguit nog een paar materialen. Pas
in de zestiende eeuw ontstond het begrip van elektrische lading als
een zelfstandige materie die aantrekking teweeg kan brengen tussen
willekeurige voorwerpen. Men sprak over de elektrische materie als
over een vloeistof (fluïdum) die door wrijving uit een
voorwerp stroomt.
De ontdekking dat geladen voorwerpen elkaar zowel kunnen aantrekken
als afstoten was een complicatie die leidde tot de controverse tussen
de Franse twee-fluïda versus de Nederlandse
één-fluïdum theorie. Volgens de
twee-fluïda theorie
...there are two distinct electricities, very different from one another; one of which I call vitreous electricity, and the other resinous electricity. The first is that of glass, rock-crystal, precious stones, hair of animals, wool, and many other bodies; the second is that of amber, copal, gum-lack, silk, thread, paper, and a vast number of other substances. The characteristic of these two electricities is, that a body of the vitreous electricity, for example, repels all such as are of the same electricity; and on the contrary, attracts all those of the resinous electricity. (brief van C.-F. Du Fay aan de Duke of Richmond and Lenox, 1733)
De één-fluïdum theorie was gebaseerd op proeven
die Pieter van Musschenbroek uitvoerde met de Leidse fles, een
apparaat om lading op te slaan dat we nu een condensator
noemen. (Originele exemplaren zijn nog te bezichtigen in het Leidse
Museum Boerhaave.) Van Musschenbroek gebruikte een opgeladen Leidse
fles om vonken te onttrekken aan een proefpersoon, tot vermaak van
zijn publiek. De vonken suggereerden dat een enkel elektrisch
fluïdum werd overgebracht van de fles naar de proefpersoon,
wanneer de één een overschot en de de ander een tekort
aan elektriciteit bezit. Aantrekken of afstoten van twee voorwerpen
was in dit beeld geen gevolg van twee soorten elektriciteit, maar van
een overschot (positieve lading) of tekort (negatieve lading) van
één enkele soort elektriciteit. Het was de Amerikaan
Benjamin Franklin die rond 1750 de positieve lading identificeerde
met de glasachtige elektriciteit van de Franse school, zonder te
vermoeden dat die lading ontstond door het onttrekken aan de staaf
van negatief geladen deeltjes. Door deze ongelukkige keuze zitten we
nog steeds met een negatief geladen elektron opgescheept.
Aan het eind van de negentiende eeuw werd elektriciteit al breed
toegepast: Grote steden hadden elektrische verlichting, er reden
elektrische trams en de industrie maakte gebruik van elektrisch
aangedreven machines. Voor deze toepassingen was het niet nodig te
weten waar elektriciteit uit bestond.In 1888 ontdekte Heinrich Hertz
in Karlsruhe dat een draad waar een wisselstroom doorheen loopt
straling uitzendt. De verklaring voor dit verschijnsel werd gevonden
in een viertal vergelijkingen die James Clerk Maxwell, hoogleraar in
Cambridge, enige jaren eerder had opgesteld. Omdat die vergelijkingen
elektriciteit en magnetisme aan elkaar koppelen, heet de straling van
Hertz "elektromagnetische" straling. De toepassing van de ontdekking
van Hertz liet niet lang op zich wachten. De twintigjarige Guglielmo
(=Willem) Marconi kwam vanuit Italië naar Engeland om daar met
steun van de posterijen radiozenders en ontvangers te ontwikkelen.
Rond de eeuwwisseling was radio-telegraphie een commercieel succes
aan het worden.
De theorie van Maxwell is van een schoonheid die vooral wiskundig
aangelegde natuurkundigen aanspreekt. Thomson behoorde tot die
categorie. Hij was zo gefascineerd door Maxwell's publicaties dat hij
ze eigenhandig had overgeschreven. Geen geringe opgave, want het zijn
lange artikelen. Als opvolger van Maxwell in Cambridge werd diens
Treatise on Electricity and Magnetism uit 1873 zijn "bijbel".
Hij droomde van een beschrijving van materie in termen van
elektromagnetische straling, voorgesteld als golven in een medium dat
de ether genoemd werd. Een corpusculaire beschrijving van de
materie, in termen van deeltjes met lading en massa, was in zijn ogen
niet zo fundamenteel als een beschrijving in termen van
...vortex rings in a perfect fluid [the ether], a theory more fundamental and definite than any that had been advanced before. There was a spartan simplicity about it. The material of the universe was an incompressible perfect fluid and all the properties of matter were due to the motion of this fluid.
Zijn publicaties over dit onderwerp, waarvan sommigen zijn herdrukt in het boek van Davis & Falconer, zijn vandaag de dag nauwelijks nog te volgen. Wat dacht u van deze beschrijving van waterstofchloride:
...I picture the components of the hydrogen atoms as held together by a great number of tubes of electrostatic force; the components of the chlorine atoms are similarly held together, while only one stray tube binds the hydrogen atom to the chlorine atom.
Hoewel de droom van Thomson van een geünificeerde beschrijving
van materie en straling in termen van wervels in de ether en buizen
van kracht niet is uitgekomen, was het die droom die hem motiveerde
de experimenten op te zetten die zouden leiden tot de ontdekking van
het elektron.
De naam elektron is niet bedacht door Thomson (hij sprak
aanvankelijk over corpuscles), maar tien jaar eerder door de
Ier Johnstone Stoney. (Stoney had er plezier in om nieuwe namen te
bedenken het elektron is de enige overlevende.) Het idee van
een elementaire lading gaat terug tot een andere Engelsman, Michael
Faraday, die zijn inzicht baseerde op de elektrolyse van
vloeistoffen. Een elektron is de lading die van een
waterstof-atoom een waterstof-ion maakt. Faraday stelde
zich het elektron voor als een "werveling in de ether", wat dat ook
moge betekenen, een beeld dat Thomson overnam en verder
uitwerkte.
De proef die Thomson in 1897 uitvoerde om het bestaan van elektronen
aan te tonen is nu een demonstratieproef op de middelbare school. Een
elektrische stroom wordt door een vacuüm gezogen glazen buis
gestuurd en veroorzaakt daarin een zwak oplichtende straal (een
kathodestraal genoemd). Een magneet buigt de straal af,
evenals een elektrisch geladen plaat. De verhouding van de beide
afbuigingen geeft direct de verhouding van de massa m en de
lading e van de deeltjes in de kathodestraal. Het resultaat
was een waarde voor m/e die duizend keer kleiner was dan de
destijds kleinst bekende waarde, die van het waterstof-ion. Latere
metingen (ook van Thomson, in 1899) toonden aan dat de lading van het
elektron dezelfde is als die van het waterstof-ion. De conclusie is
dat de elektrische stroom bestaat uit deeltjes die duizend keer
lichter zijn dan het lichtste atoom. Het eerste elementaire deeltje
was ontdekt. In Thomson's eigen woorden:
Thus on this view we have in the cathode rays matter in a new state, a state in which the subdivision of matter is carried very much further than in the ordinary gaseous state: a state in which all matter that is, matter derived from diferent sources such as hydrogen, oxygen, etc. is of one and the same kind; this matter being the substance from which all the chemical elements are built up.
Thomson kondigde zijn ontdekking aan op een vrijdagavondbijeenkomst
in Londen van het genootschap dat de Royal Institution heet, op 30
april 1897. De reactie van zijn toehoorders was verdeeld. Dat de
kathodestralen uit deeltjes bestonden kwam als een welkome
bevestiging. Sinds de ontdekking van de Röntgenstraling twee
jaar eerder (door Wilhelm Röntgen in Würzburg) was er druk
gespeculeerd over de relatie met de al veel langer bekende
kathodestralen. De Röntgenstralen lieten zich niet afbuigen door
een magnetisch of elektrisch veld en de consensus was dat het in dit
geval om een vorm van golven in de ether ging, weliswaar met een veel
hogere frequentie dan het zichtbare licht of de straling van Hertz.
De Duitse school was van mening dat kathodestralen ook golven in de
ether waren, wellicht met een andere trillingsrichting dan de
Röntgenstralen. De Engelse school, daarentegen, gaf de voorkeur
aan een verklaring in termen van deeltjes. Thomson's ontdekking was
een overtuigend bewijs van de juistheid van deze opvatting.
Echter, de bewering dat de deeltjes in de kathodestralen duizend keer
lichter waren dan het lichtste atoom was verwarrend. Thomson's
suggestie dat "this matter was the substance from which all the
chemical elements are built up" werd met ongeloof ontvangen. Een van
de toehoorders merkte skeptisch op dat "if different elements are
formed of the same kind of corpuscles, then one ought to be able to
transmute any substance into any other by passing it through the
furnace of cathode rays the dream of alchemists!" De krachtigste
tegenwerpingen kwamen van scheikundigen: Thomson's vondst van
deeltjes lichter dan een atoom ondergroef het heilige principe van de
ondeelbaarheid van het atoom. Een scheikundige toehoorder was van
mening dat "Thomson and his school were insufficiently instructed in
chemistry and that but for this defect in their education they would
have known better".
Het jaar 1897 wordt nu algemeen aangewezen als het jaar van de
ontdekking van het elektron en J.J. Thomson als de ontdekker. De
werkelijkheid is zowel ingewikkelder als interessanter. In een
hoofdstuk getiteld "Leiden 1896" beschrijft Flash of the Cathode
Rays hoe het elektron reeds een half jaar eerder in ons eigen
land was waargenomen zij het op indirekte wijze. Hoofdpersonen in dit
hoofdstuk zijn de Leidse hoogleraar theoretische natuurkunde Hendrik
Antoon Lorentz en zijn assistent Pieter Zeeman. Plaats van handeling
is het natuurkundig laboratorium in de Leidse binnenstad, dat kort
tevoren was neergezet op de ruïnes veroorzaakt door de
ontploffing van een kruitschip aan het Rapenburg. De direkteur van
dit laboratorium was Heike Kamerlingh Onnes, die een ambitieus
onderzoeksprogramma had opgezet onder het motto "Door meten tot
weten". Het Kamerlingh Onnes Laboratorium, zoals het later is gaan
heten, werd pas afgelopen zomer opgegeven voor een modern
laboratorium buiten de stad. Een drietal gebrandschilderde ramen
(hieronder afgebeeld) in een kamer op de begane grond markeren nog
steeds de historische plek van de ontdekking van Zeeman en Lorentz.
|
In het bovenste paneel zien we links Zeeman en rechts een gasvlam
tussen twee spoelen van een elektromagneet. Het licht afkomstig van
brandend keukenzout wordt door een diffractierooster in
spektraallijnen ontleed. Zeeman zag tot zijn verrassing dat de gele
spektraallijn breder wordt als de magneet wordt aangezet. De datum
van 31 oktober die op het paneel is aangegeven is de datum waarop
Zeeman deze waarneming op de vergadering van de Koninklijke Akademie
in Amsterdam bekend liet maken. Het middelste paneel toont Lorentz
met pen en papier, omringd door diagrammen die zijn model voor het
atoom weergeven. De kracht die een magneet op geladen deeltjes
uitoefent (en die we nu de Lorentzkracht noemen) had hij al eerder
uitgevonden. Toen Zeeman met zijn waarnemingen bij hem kwam kon
Lorentz berekenen dat de magnetische verbreding van de spektraallijn
het gevolg was van de kracht op een negatief geladen deeltje dat 1600
keer lichter was dan een waterstof-ion: m/MH=1/1600
staat er triomfantelijk in het onderste paneel. Binnen een maand (op
28 november) konden Zeeman en Lorentz gezamenlijk hun vondst van een
licht deeltje in het atoom bekend maken in Amsterdam, vijf maanden
vóór Thomson's bekendmaking in Londen. Beide groepen
onderzoekers zouden uiteindelijk de Nobelprijs voor de natuurkunde
ontvangen, Zeeman en Lorentz in 1902, Thomson in 1906. Bij de
prijsuitreiking wist Zeeman hun onafhankelijke ontdekkingen op de
volgende eenvoudige wijze samen te vatten: "That which vibrates in
the light source is the same as that which travels in cathode
rays".
Het is de beschrijving van zulke verschillende, convergerende lijnen
van onderzoek die het boek van Dahl zo interessant maakt.
Davis & Falconer hebben deze kans gemist, door zich te beperken
tot de persoon van J.J. Thomson. Zij verontschuldigen zich in de
proloog van hun boek over deze beperking, met de woorden: "Many
people, now largely forgotten, contributed to the idea of the
electron. While we mention some, we do not list all of them, and do
not discuss their work in any detail....We hope that some day their
story will also be told." Dahl heeft deze uitdaging aangenomen en een
boeiend verhaal geschreven over wat hij noemt "The race for
e/m". Ik kan Flash of the Cathode Rays eenieder met
belangstelling in de geschiedenis van de natuurwetenschappen van
harte aanbevelen. Specifieke natuurkundige voorkennis (die verder
gaat dan wat op de middelbare school wordt onderwezen) is niet nodig
om het boek te kunnen appreciëren.
Dit geldt niet voor het derde boek, Electron: A Centenary
Volume. Het is dan ook voor een geheel ander publiek geschreven
dan de eerste twee. De geschiedenis van de ontdekking van het
elektron wordt op meesterlijke wijze, maar slechts in
één enkel hoofdstuk verteld door A.B. Pippard. De
volgende tien hoofdstukken zijn geschreven door gezagvolle
natuurkundige onderzoekers voor een publiek van collega
natuurkundigen. Zij geven een overzicht van het wetenschappelijk
onderzoek aan het elektron in de afgelopen honderd jaar.
Tien hoofdstukken over het elektron, wat valt er dan over dat deeltje
te zeggen? Inderdaad is het elektron op zichzelf beschouwd een
elementair en dus nogal saai deeltje. Als je z'n massa en lading weet
heb je het wel gehad, kun je met enig overdrijven zeggen. Maar als je
heel veel elektronen samenbrengt verandert de zaak. Door hun sterke
interactie (de elektrische kracht is na de kernkracht de sterkste
kracht die in de natuur voorkomt) gedragen elektronen zich in
groepsverband geheel anders dan alleen. Zowel de massa als de lading
kunnen zich dan anders voordoen. In sommige halfgeleiders gedraagt
het elektron zich als een deeltje dat tien keer lichter is dan in
vacuüm (tot genoegen van de elektronische industrie die de
toegenomen wendbaarheid goed kan gebruiken om snellere computerchips
te fabriceren). Het omgekeerde is ook mogelijk, zoals M. Springford
vertelt in het hoofdstuk "The heavy electron". En wat de lading
betreft: Het fractionele quantum-Hall-effect , dat dit najaar de
kranten haalde in verband met een Nobelprijs, is het
verschijnsel dat een tweedimensionaal gas van elektronen zich in een
sterk magneetveld gedraagt alsof elk van de elektronen in drie, vijf
of meer deeltjes is uiteengevallen. Dit vreemde verschijnsel wordt
beschreven door R.J. Nicholas in het hoofdstuk "The composite
electron". De theoretisch fysicus Philip Anderson zegt het elders
treffend: "It is ironic that, a century after Thomson discovered that
cathode rays were made up of integral charged particles, the most
exciting developments in the theory of electrons in solids have to do
with the fractionalization of the electron."
In het hoofdstuk "The paired electron" beschrijft A.J. Leggett hoe
elektronen in sommige metalen bij lage temperaturen het natuurlijke
afstoten van gelijke ladingen weten om te zetten in een zwakke
aantrekkende kracht. De paarvorming die hiervan het gevolg is leidt
tot het verschijnsel van supergeleiding, het plotseling geheel
wegvallen van de elektrische weerstand. Dit verschijnsel werd in 1911
door Kamerlingh Onnes ontdekt in een buisje kwik, in hetzelfde
laboratorium waar Zeeman vijftien jaar eerder het elektron in een
gasvlam had waargenomen. Het heeft bijna vijftig jaar geduurd voordat
er een theoretische verklaring gevonden werd van het wegvallen van de
weerstand. En nu, nog eens veertig jaar later heeft het elektron ons
wederom voor een raadsel gezet: In sommige keramische materialen
blijkt supergeleiding op te treden bij temperaturen die honderd
graden hoger zijn dan in metalen zoals kwik of aluminium. Wie hier
een verklaring voor vindt kan de Nobelprijs in z'n zak steken.
Een centraal thema in Electron: A Centenary Volume is het
spanningsveld tussen deeltje en golf. In het hoofdstuk "The coherent
electron" beschrijven Y. Imry & M. Peshkin hoe het elektron zich
nu eens als een deeltje voordoet en dan weer als een golf,
afhankelijk van het soort proef dat je uitvoert. J.J. Thomson dacht
met zijn meting van e/m in het voordeel van een deeltje
beslist te hebben, maar zijn eigen zoon George zou tientallen jaren
later de Nobelprijs ontvangen voor een meting van de
golflengte van het elektron. Het elektron is beide: Enerzijds
een deeltje met massa en lading en anderzijds een golf met golflengte
en frequentie. Het is moeilijk je hier iets bij voor te stellen, maar
gelukkig heeft de natuurkundige een hulpmiddel om zo'n schizofreen
deeltje beschrijfbaar te maken. Dit hulpmiddel is de wiskunde. De
beweging van een elektron wordt beschreven door een wiskundige
vergelijking (genoemd naar z'n ontdekker, Erwin Schrödinger),
die een hybride is van de bewegingsvergelijking voor een golf en de
bewegingsvergelijking voor een deeltje. De
Schrödingervergelijking is een triomf geweest van de
golfmechanica, die in de twintiger jaren van deze eeuw de
deeltjesmechanica van de negentiende eeuw heeft opgevolgd. Zonder de
ontdekking van het elektron zou deze wetenschappelijke revolutie niet
goed denkbaar zijn geweest, evenmin als de elektronische revolutie
die erop zou volgen. Wie weet wat dit eenvoudige deeltje in de
volgende eeuw nog voor verrassingen in petto heeft.
Meer informatie over de ontdekking van het elektron.