การค้นพบอิเล็กตรอน |
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)
|
การค้นพบอิเล็กตรอนที่กำลังจะเล่านี้ อันที่จริงคงไม่ใช่การค้นพบ แต่เป็นการระบุว่าสิ่งที่รู้จักกันมานานอย่างหนึ่งว่าคืออิเล็กตรอนได้สำเร็จได้อย่างไร
คำว่าอิเล็กตรอนมีรากศัพท์มาจากภาษากรีกคือ elektron หมายถึง อำพัน ซึ่งเป็นซากดึกดำบรรพ์ (fossil) ของยางไม้ที่ทับถมจนแข็งเป็นก้อนและมีสีเหลืองใสเป็นเงา ที่ชาวกรีกโบราณพบตั้งแต่ 600 ปีก่อนคริสต์ศักราชแล้วว่าเมื่อถูแท่งอำพันกับผ้าขนสัตว์แล้วจะมีแรงดูดจากไฟฟ้าสถิตสามารถดูดของเบา ๆ ได้ เรื่องนี้ไม่มีความคืบหน้าเป็นพันปี เป็นได้แค่ของเล่นสนุกไปทั่วยุโรป รวมทั้งในราชสำนักประเทศอังกฤษสมัยพระราชินีอะลิซาเบทที่ 1 มีหมอหลวงชื่อวิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) ที่สนใจศึกษาจริงจังสักหน่อยและเสนอให้เรียกแรงดูดชนิดนี้ว่า electricity ตรงกับภาษาไทยว่า ไฟฟ้า |
| |
|
| |
ก้อนอำพันที่มีไฟฟ้าสถิตสามารถดูดของเบา ๆ เช่น ขนนก ได้
(ภาพ: http://www.thebakken.org/electricity/science-of-static.html) |
|
| เมื่อเริ่มศึกษากันจริงจังขึ้นก็เริ่มรู้ว่าไฟฟ้านี้ สถิต อยู่กับที่อย่างที่เกิดในแท่งอำพันก็ได้ หรือจะ ไหล ก็ได้ในเส้นลวดโลหะ เช่น จากการทดลองเมื่อปี ค.ศ. 1746 ของชอง-อองตวน นอลแลต (Jean Antoine Nollet) ให้พวกบาทหลวงจับลวดเหล็กเส้นหนึ่งไว้แน่นยืนต่อ ๆ กันเป็นแถวคดไปคดมาแต่ความยาวรวมแล้วถึงหนึ่งกิโลเมตร จากนั้นเขาก็ปล่อยไฟฟ้าสถิตเข้าไปในเส้นลวดทำให้บาทหลวงทั้งหมดสะดุ้งกระโดดตัวลอยจนเสื้อคลุมสีขาวกระพือไสว |
| |
|
| |
นอลแลตทดลอง บาทหลวงกระโดด (ภาพ: http://www.amre.us/site/trivia.html) |
|
นับแต่นั้นก็เริ่มคิดกันได้ว่าไฟฟ้าเป็น ของไหล อย่างหนึ่ง ประกอบกับทฤษฎีอะตอมของจอห์น ดอลตัน (John Dalton) เมื่อปี ค.ศ. 1803 ที่ว่าสสารทั้งหลายประกอบขึ้นจากอนุภาคเล็ก ๆ ที่ตามองไม่เห็นและแบ่งแยกไม่ได้ ดังนั้นต่อมาในช่วงคริสต์ทศวรรษ 1870 คนก็พลอยคิดกันและพูดกันมากว่าไฟฟ้าก็น่าประกอบขึ้นจากอนุภาคเล็ก ๆ เช่นกัน และในปี ค.ศ. 1891 จอร์จ จอห์นสโตน สโตนีย์ (George Johnstone Stoney) ก็เสนอให้เรียกอนุภาคของไฟฟ้า (ที่ยังไม่รู้ว่าเป็นอนุภาคจริงหรือไม่) นี้ว่า อิเล็กตรอน
ตกลงว่า อิเล็กตรอน มี ชื่อ ก่อนที่จะมีใครสามารถบอกได้ว่ามันคืออะไร
ค.ศ. 1800 อาเลสซันโดร วอลตา (Alessandro Volta) ประดิษฐ์แบตเตอรี่ไฟฟ้าและทำให้ไฟฟ้าไหลในเส้นลวดได้อย่างสม่ำเสมอดังสายน้ำไหล และมีผู้นำไฟฟ้าจากแบตเตอรี่ไปทำการทดลองกันต่างต่างนานา รวมทั้งเมื่อปี ค.ศ. 1820 ฮันส์ คริสเตียน เออร์สเตด (Hans Christian Oersted) เตรียมการสาธิตสองเรื่องคือทำให้ลวดร้อนด้วยกระแสไฟฟ้ากับการชี้ไปทางเดียวของเข็มทิศ แล้วเรื่องประหลาดก็เกิดขึ้นคือ ขณะสาธิตเรื่องไฟฟ้า เขาสังเกตว่าทุกครั้งที่เปิดสวิตช์ให้ไฟฟ้าไหลในเว้นลวด เข็มทิศที่วางอยู่ใกล้ ๆ ก็จะขยับทุกครั้ง เขาใช้เวลาหาคำตอบอยู่หลายเดือน ก็พบแต่เพียงว่าเมื่อเอาลวดที่มีกระแสไฟฟ้าเข้าไปจ่อแล้ว เข็มทิศจะไม่เกิดการดูดหรือผลักเลย แต่จะชี้ตั้งฉากกับลวดไฟฟ้าเสมอ ซึ่งเขาหาสาเหตุไม่ได้จึงเพียงแต่ประกาศว่าได้ค้นพบปรากฏการณ์ประหลาดนี้ออกไปเท่านั้น |
| |
|
| |
เออร์สเตดสาธิตเข็มทิศหมุนมาตั้งฉากกับเส้นลวดไฟฟ้า (ภาพ: www.geocities.com) |
|
| อองเดร-มารี อองแปร์ (Andre-Marie Ampere) ตีความการทดลองของเออร์เสตดว่า กระแสไฟฟ้าที่ไหลในขดลวดปล่อยแรงแม่เหล็กออกมา จึงทำให้เข็มทิศที่ทำจากแม่เหล็กเกิดการตอบสนอง เขาจึงลองใช้ไฟฟ้าไหลในเส้นลวด 2 เส้น และพบว่าเมื่อลวดขนานกันก็เกิดการดูดกัน และเมื่อขวางกันก็เกิดการผลักกัน โดยแรงดูดหรือผลักมากน้อยเป็นส่วนกลับกับระยะทางระหว่างลวดทั้งสองเส้นนั้น และเขายังพบอีกว่าแรงแม่เหล็กที่เกิดขึ้นมากน้อยเป็นสัดส่วนโดยตรงกับไฟฟ้าที่ปล่อยเข้าไปมากหรือน้อย การทดลองนี้พัฒนาไปเป็นแนวคิดเรื่องแรงหรือสนามแม่เหล็กไฟฟ้า |
|
ไมเคิล ฟาราเดย์ (Michael Faraday) คิดว่าเมื่อไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็กได้ ในทางกลับกัน แม่เหล็กก็น่าจะทำให้เกิดไฟฟ้าได้ และเขาทำสำเร็จเมื่อปี ค.ศ. 1831 โดยการหมุนจานทองแดงระหว่างขั้วแม่เหล็ก แล้วทำให้กระแสไฟฟ้าเกิดขึ้นในลวดทองแดง ที่ต่อออกมาจากจานทองแดงได้ และนี่เรียกว่าไดนาโม ซึ่งเฮอร์มันน์ ฟอน เฮล์มโฮลทซ์ (Hermann von Helmholtz) นำแนวคิดนี้มาประดิษฐ์เป็นขดลวดเฮล์มโฮลทซ์ (Helmholtz coil/pair) ที่มีขดลวดทองแดง 2 ชุดต่อเรียงคู่กัน เมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปก็ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กเสมือนมีแท่งแม่เหล็กวางสอดอยู่ในระหว่างขดลวดทองแดงทั้งคู่ |
|
|
ไดนาโมของฟาราเดย์
(ภาพ: homepage.ntlworld.com/wilf.james/dynamos.html) |
ขดลวดเฮล์มโฮลทซ์
(ภาพ: http://practicalphysics.org) |
|
| ค.ศ. 1864 เจมส์ คลาร์ก แมกซ์เวลล์ (James Clerk Maxwell) สาธิตความสัมพันธ์ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้ากับคลื่นแสงว่าเป็นอย่างเดียวกัน กล่าวคือ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแผ่ออกไปด้วยความเร็วเท่ากับความเร็วของแสง และแสงก็เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับแสงนี้มีข้อพิสูจน์จากการศึกษาของลูกศิษย์คนเก่งของเฮล์มโฮลทซ์ชื่อว่าไฮน์ริช แฮตซ์ (Heinrich Hertz) เมื่อปี ค.ศ. 1887 ที่พบว่าเมื่อปล่อยแสงลงไปบนโลหะแอลคาไล เช่น โลหะโซเดียม ที่ผิวของโลหะนั้นจะปล่อยไฟฟ้าออกมาได้มากน้อยตามความเข้มของแสงที่ฉายลงไป เรียกว่าปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (photoelectric effect) |
| |
|
| |
ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก (ภาพ: http://www.llnl.gov) |
|
ปรากฏการณ์นี้แสดงความสัมพันธ์ระหว่างไฟฟ้ากับอะตอมของโลหะนั้น และเริ่มมีผู้คิดว่าไฟฟ้าหรืออนุภาคอิเล็กตรอนน่าจะเป็นองค์ประกอบอยู่ภายในอะตอม
มีการศึกษาเรื่องไฟฟ้าอีกกระแสหนึ่งตั้งแต่ปี ค.ศ. 1859 เป็นต้นมาก็คือหลอดรังสีแคโทด หลอดนี้มีขั้วไฟฟ้าอยู่ที่ปลายทั้งสองข้างและภายในเกือบจะเป็นสุญญากาศ เมื่อผ่านไฟฟ้าเข้าไปก็จะเกิดแสงเขียวเรืองจากขั้วแคโทดไปยังขั้วแอโนดเรียกว่า รังสีแคโทด แฮตซ์เองก็ทดลองกับหลอดรังสีแคโทดบ้างและเชื่อว่ารังสีแคโทดเป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเช่นเดียวกับแสง และนี่เป็นความเห็นส่วนใหญ่ของนักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน แต่ในอังกฤษนักวิทยาศาสตร์ส่วนมากเชื่อว่ารังสีแคโทดเป็นอนุภาค |
| |
|
| |
หลอดรังสีแคโทดแบบพื้น ๆ (ภาพ :AIP) |
|
| เมื่อปี ค.ศ. 1895 มีการค้นพบเกี่ยวกับรังสีแคโทดที่ดูไม่สลักสำคัญแต่ที่จริงเป็นกุญแจดอกหนึ่งนำไปสู่การค้นพบอิเล็กตรอน ปีนั้นนักวิทยาศาสตร์ชาวนอร์เวย์ชื่อคริสเตียน เบิร์กแลนด์ (Kristian Birkeland) ทดลองหลอดรังสีแคโทดที่ใส่แท่งแม่เหล็กไว้ด้วยภายในหลอด และสังเกตเห็นว่ารังสีแคโทดมีแนวโน้มที่จะเบนเข้าไปที่ขั้วของแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้เป็นการทวนย้อนกับที่เอร์สเตดและอองแปร์ทดลองว่า กระแสไฟฟ้ามีผลต่อการเคลื่อนที่ของเข็มทิศแม่เหล็ก ในทางกลับกันแม่เหล็กก็มีผลต่อการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าเช่นกัน แต่ปัญหาอยู่ที่ว่าขณะนั้นยังไม่มีใครรู้ว่ารังสีแคโทดคืออะไรกันแน่ และเป็นคลื่นหรืออนุภาค |
|
|
คริสเตียน เบิร์กแลนด์ (ภาพ: www.answers.com) |
โจเซฟ ทอมสันในห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (ภาพ :AIP) |
|
โจเซฟ. จอห์น. ทอมสัน (Joseph John Thomson) หัวหน้าห้องปฏิบัติการคาเวนดิช (Cavendish lab) มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ต้องการพิสูจน์ว่ารังสีแคโทดคืออะไร และเป็นคลื่นหรืออนุภาคกันแน่ เขาเริ่มการทดลองกับรังสีแคโทดมาตั้งแต่ปี ค.ศ. 1894 และมาประกาศความสำเร็จเมื่อเดือนเมษายน ค.ศ. 1897
ทอมสันทำการทดลองทั้งหมดรวม 3 การทดลองที่ทำให้สรุปได้ว่ารังสีแคโทดคืออะไร
การทดลองที่ 1
ทอมสันเริ่มต้นจากการทบทวนการทดลองเมื่อปี ค.ศ. 1895 ของชอง เปแรง (Jean Perrin) ซึ่งเปแรงสรุปไว้ว่าเขาพบประจุไฟฟ้าจากรังสีแคโทด ดังนั้น หากรังสีแคโทดเป็นคลื่นแต่เปแรงก็พบว่ารังสีแคโทดมีประจุไฟฟ้าที่เชื่อกันว่าเป็นอนุภาครวมอยู่ด้วย การทดลองแรกของทอมสันจึงคิดที่จะแยกคลื่นและอนุภาคออกจากกัน ด้วยสนามแม่เหล็ก ซึ่งสามารถทำให้อนุภาคที่มีประจุเบนแยกออกจากคลื่นได้ |
| |
|
| |
หลอดรังสีแคโทดในการทดลองที่ 1 (ภาพ: Classic Chemistry) |
|
ทอมสันใช้กระบอกโลหะ 2 ชั้นที่มีด้านช่องเปิดต่อเข้ากับกระเปาะแก้ว กระบอกชั้นนอกต่อสายดิน (earth) ส่วนชั้นในต่อกับเครื่องวัดประจุไฟฟ้า (electrometer) สำหรับกระเปาะแก้ว ก็เชื่อมต่ออีกทอดหนึ่งเข้ากับหลอดรังสีแคโทด โดยตรงจุดเชื่อมต่อรัดด้วยปลอกโลหะที่มีสายไฟฟ้าต่ออยู่กับแอโนด (B) ดังนั้นเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้ารังสีแคโทดจากแคโทด (A) ที่เกิดขึ้นก็จะพุ่งตรงผ่านจุดเชื่อมต่อเข้าไปในกระเปาะแก้ว แล้วผ่านเลยช่องเปิดของกระบอกทั้งสองที่ซ้อนกันนั้นไป ซึ่งเครื่องวัดประจุไฟฟ้าจะวัดประจุได้ต่ำและไม่สม่ำเสมอ จากนั้นทอมสันก็ใช้แท่งแม่เหล็กเบนลำรังสีแคโทดให้โค้งลงไปกระทบที่ช่องเปิดของกระบอกที่ซ้อนกัน ปรากฏว่าสามารถวัดประจุไฟฟ้าได้สูงมากจนน่าประหลาดใจ แต่ถ้าเบนรังสีให้ดีโดยผ่านตลอดช่องเปิดเข้าไปในกระบอกชั้นใน ประจุไฟฟ้าที่วัดได้ตอนแรกจะค่อย ๆ สูงขึ้นและคงที่ในที่สุด เนื่องจากในหลอดยังมีอากาศและทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้า อากาศในช่องระหว่างกระบอกชั้นในและชั้นนอก จึงถ่ายประจุจากกระบอกชั้นในออกไปทางสายดิน ที่ต่อกับกระบอกชั้นนอกได้
ทอมสันสรุปการทดลองนี้ว่า เขาสามารถวัดประจุไฟฟ้าได้มากหรือน้อยจากรังสีแคโทดที่เบนไปในลักษณะต่าง ๆ กัน แสดงว่ารังสีแคโทดอยู่เป็นเนื้อเดียวกับประจุไฟฟ้าชนิดแยกออกจากกันไม่ได้
การทดลองที่ 2
คราวนี้ทอมสันทบทวนการทดลองของแฮตซ์ที่ทดลองไว้เมื่อประมาณปี ค.ศ. 1892 ครั้งนั้นแฮตซ์ใช้ขั้วไฟฟ้าเป็นแผ่นโลหะ 2 แผ่นขนานกันใส่ไว้ในหลอดรังสีแคโทด ซึ่งเมื่อผ่านกระแสไฟฟ้าเข้าไปแล้วจะทำให้เกิดสนามไฟฟ้าสถิตระหว่างแผ่นขั้วไฟฟ้าทั้งสอง และเมื่อรังสีแคโทดพุ่งผ่านไประหว่างแผ่นขั้วไฟฟ้าก็ไม่เกิดการเบนทิศทาง แฮตซ์จึงเชื่อว่ารังสีแคโทดเป็นคลื่นไม่ใช่อนุภาคจึงไม่เกิดผลกับสนามไฟฟ้าสถิต |
| |
|
| |
หลอดรังสีแคโทดในการทดลองที่ 2 (ภาพ: http://schools.cbe.ab.ca) |
|
การทดลองครั้งแรกของทอมสันก็ได้ผลเหมือนกับแฮตซ์ แต่จากการทดลองที่ 1 เขาสังเกตเห็นผลของอากาศในหลอดที่ทำหน้าที่เป็นตัวนำไฟฟ้าได้ เขาคิดว่าประจุไฟฟ้าของรังสีแคโทดถูกถ่ายเทออกไปมาก จึงสังเกตผลต่อสนามไฟฟ้าสถิตไม่ได้ ดังนั้น ขั้นต่อไปทอมสันจึงดูดอากาศออกจากหลอดให้ได้มากที่สุดแล้วทดลองอีกครั้ง ปรากฏว่าสามารถสังเกตเห็นการเบนของรังสีแคโทดจากสนามไฟฟ้าสถิตได้ โดยถ้าขั้วแผ่นบนต่อกับขั้วลบของแบตเตอรี่และขั้วแผ่นล่างต่อกับขั้วบวกของแบตเตอรี่ ลำรังสีแคโทดก็จะเบนลงเนื่องจากแผ่นขั้วบนผลักลงในขณะที่ขั้วแผ่นล่างก็ช่วยดูดลงมาด้วย
รังสีแคโทดที่เบนและเลยไปกระทบกับปลายหลอดอีกด้านหนึ่งนั้น ทอมสันติดเสกลไว้ด้านนอกหลอดสำหรับวัดว่ามันเบนไปมากน้อยเพียงใด และก็พบว่าเบนมากขึ้นเมื่อความต่างศักย์สูงระหว่างแผ่นขั้วไฟฟ้าสูงขึ้น และเขาสังเกตเห็นการเบนเมื่อมีความต่างศักย์ตั้งแต่ 2โวลต์ขึ้นไป
จากทั้ง 2 การทดลอง ทอมสันสรุปฟันธงว่ารังสีแคโทดต้องเป็นโมเลกุล อะตอม หนือสสารขนาดเล็กมากที่มีประจุลบของไฟฟ้าอย่างแน่นอน และเขาต้องหาให้ได้ว่ามันคืออะไร
การทดลองที่ 3
เมื่อมั่นใจว่าเขากำลังตามหาอนุภาคสักอย่างที่มีประจุลบ เมื่ออยากรู้ว่ามันคืออะไรเขาก็ต้องหาสมบัติทางฟิสิกส์ของมัน แม้เขาไม่สามารถหาทั้งมวลและขนาดประจุของแต่ละอนุภาคได้ แต่เขาพอจะหาอัตราส่วนมวลต่อประจุของมันได้อย่างเหลือเชื่อ |
| |
|
| |
สนามไฟฟ้าสถิตทำให้รังสีแคโทดมีทิศเบนเข้าไปในกระดาษ
(ภาพ :www-outreach.phy.cam.ac.uk) |
|
ในการทดลองที่ 2 ทอมสันใช้สนามไฟฟ้าสถิตทำให้รังสีแคโทดเบนเข้าหาแผ่นขั้วบวกที่ใส่ไว้ในหลอด ในการทดลองที่ 3 นี้เขาเพิ่มขดลวดเฮล์มโฮลทซ์เข้าไปเพื่อสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมา และภายใต้สนามแม่เหล็กรังสีนี้รังสีแคโทดก็เบนทิศทางเช่นกัน ทอมสันจัดวางให้ขดลวดในตำแหน่งที่ทำให้รังสีแคโทดมีทิศการเบนตรงกันข้ามกับเมื่อเบนด้วยสนามไฟฟ้าสถิต ดังนั้นเมื่อเริ่มต้นด้วยการเบนรังสีแคโทดด้วยสนามไฟฟ้าสถิตจากนั้นก็เปิดสนามแม่เหล็กปรับการเบนกลับมา เมื่อกำลังสนามไฟฟ้าเท่ากับกำลังสนามแม่เหล็ก รังสีแคโทดก็เบนกลับมาในแนวตรงตามเดิม นั่นคือแรงกระทำจากสนามไฟฟ้า (Eq) เท่ากับแรงกระทำจากสนามแม่เหล็ก (Bqv)
แรงกระทำจากสนามไฟฟ้ามีค่าเท่ากับ สนามไฟฟ้า (E) คูณด้วยประจุ (q) ดังสมการ |
|
| และ แรงกระทำจากสนามแม่เหล็กมีค่าเท่ากับ สนามแม่เหล็ก (B) คูณด้วยประจุ (q) และความเร็วของอนุภาคที่มีประจุ (v) ดังสมการ |
|
หรือ ความเร็วของอนุภาค v = E/B ซึ่งทอมสันสามารถทราบค่านี้ได้ทันที เพราะเขาทราบค่าของทั้ง E และ B แล้ว เพราะอ่านได้จากหน้าปัดอุปกรณ์สร้างสนามไฟฟ้าสถิตและสนามแม่เหล็ก โดยความเร็งวที่คำนวณได้นี้มีค่าประมาณ 1/3 ของความเร็วแสง
ขั้นต่อมาทอมสันก็ปิดสนามแม่เหล็กคงเหลือแต่สนามไฟฟ้าสถิตเอาไว้ และทำให้รังสีแคโทดเบนทิศทางและมีความเร็วเพิ่มขึ้นจากสนามไฟฟ้าสถิตเร่งให้เร็วขึ้น ซึ่งมีค่าเท่ากับความเร่งหารด้วยเวลาในช่วงที่รังสีแคโทดเคลื่อนไปในสนามไฟฟ้าสถิต ซึ่งเมื่อวัดมุมที่รังสีแคโทดเบนไป (?) ก็จะหาอัตราส่วนประจุต่อมวลของอนุภาคของรังสีแคโทดได้จากสมการ tan ? = qVd/mhvx2 (รายละเอียดดูภาคผนวกด้านล่าง)
ความต่างศักย์ V อ่านได้จากหน้าปัดอุปกรณ์สร้างสนามไฟฟ้าสถิต ค่า d ก็วัดเอาได้ คือด้านยาวของแผ่นขั้วไฟฟ้าอันเป็นช่วงระยะทางที่รังสีแคโทดอยู่ในสนามไฟฟ้า ส่วนค่า h คือระยะห่างระหว่างแผ่นขั้วไฟฟ้าทั้งสองแผ่นก็วัดได้เช่นกัน และความเร็วของอนุภาคคือ v ก็วัดไว้แล้วแต่ต้น ดังนั้นจากสมการนี้ทอมสันสามารถคำนวณอัตราส่วนประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาคหรือ q/m ได้ทันทีมีค่าประมาณ 1.7 ? 107 คูลอมบ์ต่อกรัม มากเกือบ 1,700 เท่าตัวของไอออนไฮโดรเจนในสารละลายที่ทราบกันแล้วในยุคนั้น (ประมาณอีก 2 ปีต่อมาในปี ค.ศ. 1899 ทอมสันใช้ห้องหมอก (cloud chamber) ประดิษฐ์ขึ้นโดยชาร์ลส์ วิลสัน (Charles Wilson) ลูกศิษย์ของเขาเอง ตรวจสอบขนาดของประจุไฟฟ้าลบทั่วไปว่ามีขนาดเท่ากับปรุจุไฟฟ้าของไอออนไฮโดรเจน ทอมสันจึงสรุปว่า อนุภาคของรังสีแคโทดมีมวลน้อยกว่าไฮโดรเจนซึ่งเป็นอะตอมที่มีขนาดเล็กที่สุด 1,700 เท่าตัว) |
| |
|
| |
หลอดรังสีแคโทดบรรจุแก๊สที่มีความดันต่ำ เป็นแบบหนึ่งที่ทอมสันใช้ในการทดลองที่ 3
(ภาพ: http://www.aip.org) |
|
เดิมขั้วไฟฟ้าแคโทดและแอโนดในหลอดรังสีแคโทดของทอมสันเป็นอะลูมิเนียม เมื่อเขาลองใช้โลหะอื่น ๆ แทน หรือใช้แก๊สอื่นบรรจุในหลอด และแม้แต่จะใช้ความแรงของสนามไฟฟ้าสถิตเพิ่มขึ้นหรือลดลง อัตราส่วนประจุไฟฟ้าต่อมวลที่ได้ก็ยังคงเดิมเสมอ ดังนั้นจากทั้ง 3 การทดลองทอมสันจึงสรุปว่า รังสีแคโทดประอบขึ้นจากอนุภาคที่มีประจุลบที่เขาเรียกว่า corpuscle และจากการที่เขาเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วไฟฟ้า อัตราส่วนประจุไฟฟ้าต่อมวลก็ยังคงเดิม และเมื่อพิจารณาประกอบกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ทำให้ทอมสันยังสรุปต่อไปอีกด้วยว่า อนุภาคนี้เป็นองค์ประกอบมีอยู่ในอะตอมทุกชนิด
สมมติฐานของทอมสันผ่านการตรวจสอบความถูกต้องอยู่หลายปีจนเป็นที่ยอมรับ ต่อมาเขาก็ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์เมื่อปี ค.ศ. 1906 และ corpuscle ของเขาได้ชื่อว่าอิเล็กตรอน ตามชื่อที่สโตนีย์ตั้งให้ไว้ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1891 ในปัจจุบันเราทราบกันแล้วว่ารังสีแคโทดก็คือลำกระแสของอนุภาคอิเล็กตรอน และยังพบว่าอิเล็กตรอนมีมวลเพียง 1 ใน 1837 ของมวลอะตอมไฮโดรเจน และอิเล็กตรอนยังเป็นองค์ประกอบหนึ่งของอะตอมทุกชนิด ดังนั้นทอมสันจึงได้ชื่อว่าเป็นผู้ค้นพบอิเล็กตรอน
ภาคผนวก |
| |
|
| |
(ข้อมูล: www-outreach.phy.cam.ac.uk/.../electron1_1.htm) |
|
แหล่งข้อมูล
- http://www.thebakken.org/electricity/science-of-static.html
- http://www.nationalstep.org/techxtra/previous_techxtra_issues/index_nov.cfm
- http://inventors.about.com/od/estartinventions/a/Electromagnets.htm
- http://www.llnl.gov/str/June05/Aufderheide.html
- http://www-spof.gsfc.nasa.gov/Education/whtrap1.html
- http://web.lemoyne.edu/~giunta/THOMSON1897.HTML
- http://web.lemoyne.edu/~giunta/EA/THOMSONann.HTML
- http://www.aip.org/history/electron/jjhome.htm
- http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/.../electron1_1.htm
|
| |
