Elektronen

I det følgende lidt om de studier af elektriske fænomener, der tankemæssigt og eksperimentelt førte til opdagelsen af elektronen i 1897. Opdagelsen af elektronen viste, at de stofdele man kalder 'atomer' er opbygget af mindre dele. Et atom kan således deles, hvilket er i modstrid med at navnet 'atom' betyder 'udelelig'.

Elektroner er, sammen med atomkernens bestanddele protoner og neutroner, 'byggesten' i alt almindeligt stof. Til elektronen og protonen er knyttet den mindste kendte elektriske kraftvirkning. Størrelsen af en elektrons og en protons elektriske kraftvirkning er den samme. Derimod er massen af en elektron 1836 gange mindre end massen af en proton.
Fænomenerne 'elektricitet' og 'magnetisme' er et resultat af elektroners og protoners eksistens og deres relative bevægelsesforhold.

Fænomenet elektricitet og ordets oprindelse
Den græske filosof Thales fra Milet (ca. 625-545 f.Kr.) beskrev omkring 600 f.Kr. følgende allerede velkendte fænomen: Hvis et stykke rav gnides med noget skin kan det tiltrække små genstande såsom dun og avner. Thales mente, at ravet ved gnidningen var blevet 'besjælet'.
Ordene elektron, elektricitet, elektronik og lignende orddannelser stammer fra det oldgræske navn for stoffet rav: Elektron.
Thales skal i øvrigt også have hævdet, at magnetjernsten, opkaldt efter byen Magnesia, var levende, eftersom det var i stand til at tiltrække og bevæge et stykke jern.

Von Guerickes elektriske svovlkugle. Den elektriske gnist
Det mere systematisk videnskabelige studium af fænomenerne elektricitet og magnetisme begyndte, da englænderen William Gilbert (1544-1603) i året 1600 udgav bogen "De Magneta". Gilbert, der var livlæge for den engelske Dronning Elisabeth 1., indførte betegnelsen elektricitet. Ved forsøg opdagede han at nogle stoffer, f.eks. rav, diamant, svovl etc. ved gnidning blev elektriske, mens metaller forblev uelektriske. Gilbert grundlagde studiet af jordmagnetismen. Han forklarede, hvorfor en frit drejelig magnetisk kompasnål har forskellig visning forskellige steder på Jorden. Årsagen er, forklarede Gilbert, at Jorden er én stor magnet.

I 1663 fremstillede den tyske naturforsker Otto von Guericke (1602-1686) en stor kugle af svovl, som kunne drejes omkring en aksel. Ved at gnide den roterende svovl-kugle kunne man få den elektrisk. Og hvis man derefter berørte den med en finger, så slog en gnist over mellem finger og kugle, og en knitrende lyd opstod. Ved sådanne forsøg blev den elektriske gnist opdaget. Et kunstigt lyn i miniformat.
Med sin roterende svovlkugle opdagede von Guericke eksistensen af både tiltrækkende og frastødende elektriske kræfter.

Otto von Guerickes elektriske svovlkugle

Von Guericke – også opfinderen af luftpumpen
Otto von Guericke, der i perioden 1646-81 var borgmester i den tyske by Magdeburg, er i øvrigt også kendt for, i 1649, at have opfundet luftpumpen, der kunne pumpe luften ud fra en lukket beholder.
I 1654 demonstrerede han i rigsdagen i Regensburg den atmosfæriske lufts kraftvirkning, idet han udpumpede luften fra hulrummet af to halvkugler, der var sat lufttæt sammen. Det ydre lufttryk pressede de to halvkugler så hårdt sammen, at seksten heste, otte spændt til den ene halvkugle, og otte spændt til den anden halvkugle, kun med besvær kunne trække halvkuglerne fra hinanden. Halvkuglerne er siden blevet kendt som de "Magdeburgske Halvkugler".
Udviklingen af luftpumper var, sammen med elektriske højspændingskilder, en forudsætning for udviklingen af lufttomme elektriske udladnings-rør. Udforskningen af fænomenerne i sådanne udladnings-rør har bidraget til vor viden om stoffets og elektricitetens natur, og dermed været grundlaget for opfindelsen af nye tekniske apparater.

Hvad er elektricitet?
Da jeg var dreng fortalte min far mig følgende historie om en student, der til eksamen havde trukket emnet 'elektricitet'. Professoren spurgte: "Kan du så fortælle os, hvad elektricitet er?" Studenten tøvede, kiggede op og derefter ned, hvorefter han svarede: "Sørens, jeg vidste det i morges, men nu har jeg glemt det". Professoren rejste sig og udbrød højlydt: "Nu står vi foran det eneste menneske i hele verden, der har vidst hvad elektricitet er, og så har han glemt det!!"
Historien har jeg siden fortalt til mine elever og professorens spørgsmål har ofte optaget mine tanker.
Selvom et naturfænomen er ganske almindeligt, så kan det være vanskeligt at redegøre for dets dybereliggende mekanismer. Som det efterfølgende viser, har der gennem tiderne været flere bud på elektricitetens grundlæggende natur og årsag.

1729: Den engelske forsker Stephen Gray (1666-1736) opdagede, at stofferne kan opdeles i to grupper: 1) Ledere, dvs. stoffer der kan lede elektricitet fra et sted til et andet, og 2) Isolatorer, dvs. stoffer der ikke kan lede elektricitet.

1734: Den franske forsker Charles François de Cisternay Dufay (1698-1739) opdagede, at de to elektriske virkninger åbenbart er knyttet til forskellige slags stoffer som f.eks. glas (vitreous) og lak (resinous). Ved gnidning udviser glas den ene slags elektricitet og lak den anden slags. Dufay indførte derfor betegnelserne glas-elektricitet og lak-elektricitet.

1747: Den amerikanske politiker og videnskabsmand Benjamin Franklin (1706-1790) indfører betegnelserne plus-elektrisk og minus-elektrisk for overskud og underskud af én slags elektrisk 'substans'.

1749: Franklin udfører et livsfarligt drageeksperiment foretaget i tordenvejr. Han viste, at det var muligt at trække elektriske gnister fra dragesnoren. Forsøget førte i 1752 til opfindelsen af lynaflederen.

1759: Den engelske fysiker Robert Symmer (1707-1763) postulerer, at der eksisterer to slags elektriske 'substanser'.

1771: Den engelske fysiker og kemiker Henry Cavendish (1731-1810), der har givet navn til Cavendish Laboratory ved Cambridge University, opstiller en 'en-stof'-teori for elektriske fænomener.

1779: Den tyske fysiker Georg Christoph Lichtenberg (1742-1799) indfører betegnelserne plus- elektricitet og minus-elektricitet for to forskellige slags elektriske 'substanser'.

1785: Den franske fysiker og militæringeniør Charles Augustin Coulomb (1736-1806) udfører forsøg, der viser, at størrelsen af de elektriske kræfter der virker mellem elektrisk opladede legemer aftager omvendt proportionalt med kvadratet på afstanden mellem legemerne. Den opdagede lovmæssighed kaldes Coulombs kraftlov. Coulomb opdagede også, at en analog kraftlov gælder for kræfterne mellem magneter.
Måleenheden for elektrisk ladning betegnes med coulomb, forkortet C.

Elektriske spændings-generatorer
De iagttagelser man havde gjort med von Guerickes elektriske svovlkugle satte fantasien i gang til at udvikle andre og mere effektive typer af maskiner, der, ved gnidning af et elektrisk isolerende materiale, kunne skabe elektriske kraftvirkninger og store elektriske spændingsforskelle.
I de videreudviklede maskiner blev svovl erstattet af glas, der også bliver elektrisk opladet ved gnidning. Den engelske fysiker Isaac Newton (1642-1727) var en af de første, der foreslog at benytte glas i disse såkaldte elektricer-maskiner.

Man opdagede også, at de elektrisk opladede elektricer-maskiner kunne påvirke menneskets legeme. Håret kunne rejse sig, man kunne få elektriske stød, og der kunne udlades gnister. Tidligt blev disse maskiner anvendt til sygdomsbehandling, idet man mente at elektriske påvirkninger kunne virke helbredende på visse sygdomme. En af dem der studerede elektricitetens påvirkning af mennesker, og som foretog behandlinger med elektricitet, var den tyskfødte naturforsker Christian Gottlieb Kratzenstein (1723-1795), der fra 1753 var professor i medicin og fysik ved Københavns Universitet.

Elektricer-maskine

For at kunne studere elektriske udladninger i fortyndet luft eller i forskellige gasser, konstruerede man lukkede glasbeholdere, eller lukkede rør af glas, hvori der var indstøbt to elektriske ledere, kaldet elektroder. Ved at tilslutte elektroderne til en opladet elektricer-maskine kunne man studere de fænomener, som de elektriske udladninger forårsagede. Problemet med elektricer-maskinerne var dog, at de ikke kunne opretholde en stabil og længerevarende højspænding. For at kunne komme videre i udforskningen af elektriske udladninger i gasser under forskelligt tryk krævedes mere stabile højspændingskilder. En sådan blev opfundet i 1851 af den tysk-franske instrumentmager Heinrich Daniel Ruhmkorff (1803-1877). Dens virkemåde bygger på den elektromagnetiske induktionslov, som i 1831 blev opdaget af den engelske fysiker Michael Faraday (1791-1867). Faraday var i øvrigt en af de første der studerede elektriske fænomener i elektriske udladningsrør, og det var ham der indførte betegnelserne 'elektrode', 'katode' og 'anode'.

Den elektrode der er forbundet til den negative pol på en elektrisk spændingskilde kaldes 'katoden', og den elektrode der er forbundet til den positive pol kaldes 'anoden'.
Hvis man etablerer en elektrisk spændingsforskel på nogle tusinde volt mellem elektroderne, vil man observere, at der fra en eventuel gas i røret udsendes lys af en karakteristisk farve. I 1858 opdagede den tyske matematiker og fysiker Julius Plücker (1801-1868), at der fra katoden i et elektrisk udladnings-rør blev udsendt 'nogle stråler', som meget naturligt blev kaldt 'katodestråler'.
Straks opstod spørgsmålene: Hvad er årsagen til disse 'stråler'? Hvad består de af? Og hvilke egenskaber har de?

Forsøg med katodestrålerør førte til opdagelsen af:

• Røntgenstrålerne i 1895. Opdaget af Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) (Se artiklen om røntgenstrålernes opdagelse)
• Radioaktiviteten i 1896. Opdaget af Antoine-Henri Becquerel (1852-1908)
• Elektronen i 1897. Opdaget af Joseph John Thomson (1856-1940)

At tyskerne var meget optaget af studiet af elektromagnetisk stråling, er ganske forståeligt. Ikke mindst fordi det i 1888 var lykkedes den tyske fysiker Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) kunstigt at frembringe elektromagnetiske bølger, som er det tekniske grundlag for al trådløs kommunikation.

Joseph John Thomson (1856-1940).
Påviste i 1897 elektronens eksistens.

Opdagelsen af elektronen
I slutningen af 1800-årene studerede flere fysikere katodestråler og fremførte teorier om deres natur. En af dem var den engelske fysiker Joseph John Thomson (1856-1940), der siden 1884 havde været leder af Cavendish Laboratory ved Cambridge University.

I 1897 kunne Thomson vise, at katode-stråler er en strøm af negativt elektrisk ladede partikler. Thomson viste, at katodestrålerne kunne afbøjes af både magnetiske kræfter og elektriske kræfter, hvilket måtte betyde, at de bestod af elektrisk ladede partikler. For bl.a. at kunne redegøre for en katodestråles målte afbøjning med elektriske og magnetiske kræfter kunne han beregne størrelsen af partiklernes elektriske ladning og størrelsen af deres masse. Han bestemte forholdet mellem partiklernes elektriske ladning og deres masse, og beregnede, at 'katode-partiklernes' masse måtte være omkring 1845 gange mindre end massen af et brintatom. Thomsons, og andres eksperimenter, havde således vist, at der måtte eksistere stoflige partikler, der var lettere og mindre end brintatomer.
Nogle mindre og mere grundlæggende partikler end atomer var blevet opdaget. De negativt elektrisk ladede partikler fik navnet elektroner. Navnet elektron blev allerede indført i 1891 af den engelske fysiker Georg Johnstone Stoney (1826-1911) som betegnelse for den elektriske ladningsenhed i elektrolyse-processer.

Figur der viser opbygningen af et katodestrålerør, som svarer til det, Thomson benyttede ved sine forsøg til påvisning af elektronen.

'Rosinbolle-modellen' af et atom
Som en følge af sin påvisning af elektronen opstillede Thomson en atom-model, kaldet Thomsons 'rosinbolle-model'. I modellen svarer 'rosinerne' til elektronerne, der tænkes at svinge frem og tilbage i en 'bolle' bestående af en jævnt fordelt positiv elektrisk ladning. Modellen kunne dog ikke give en acceptabel forklaring af bl.a. grundstoffernes linie-spektre. Thomson forsvarede og udviklede sin model i næsten tyve år, også efter at Niels Bohr (1885-1962) i 1913 havde fremsat sin kvantemodel af atomet.

'Rosinbolle-modellen'.
Elektronerne tænkes at svinge i en positiv elektrisk substans.

I 1906 fik Thomson Nobelprisen i fysik for sine studier af elektriske udladninger i fortyndede gasser. Et resultat af disse studier var bl.a. opdagelsen af elektronen.

Hvad er en elektron?
Thomson og andre fysikere viste, at katodestråler måtte opfattes som en hurtigt bevægende strøm af yderst små elektrisk ladede partikler – kaldet elektroner. Men, hvad er en elektron? Hvis den er en virkelig eksisterende stofsubstans, hvad er da dens geometriske udstrækning? Er den en udelelig fundamental partikel, der ikke består af mindre dele, eller er den opbygget af mindre dele, hvis egenskaber er mere fundamentale? Disse spørgsmål er endnu ikke udforsket og afklaret.
I de benyttede fysiske teorier, hvor elektronen spiller en rolle, antages den at være en såkaldt 'punktpartikel', dvs. en matematisk 'model-partikel' uden indre struktur og uden en fysisk geometrisk udstrækning. For at kunne redegøre, såvel kvalitativt som kvantitativt, for eksperimenter og observerede fænomener, hvori elektroner indgår, har man derfor til elektronen knyttet forskellige fysiske størrelser, såsom masse, elektrisk ladning, spin, magnetisk moment osv.
(Tilsvarende antagelser haves også i modellen for en såkaldt ideal gas, hvor en gas beskrives ved matematiske punkt-partikler, der tillægges visse fysiske størrelser, f.eks. masse og hastighed. Den teoretiske tilstandsligning for en ideal gas, der sammenknytter gassens tryk, rumfang, absolutte temperatur og antal 'gaspartikler', er, inden for visse grænser, i rimelig overensstemmelse med virkelige gassers opførsel.)

Millikans berømte oliedråbeforsøg
De fysiske data for en elektron er siden opdagelsen af den blevet bestemt med større og større nøjagtighed.
Et nu klassisk eksperiment blev i 1910 udført af den amerikanske fysiker Robert Andrews Millikan (1868-1953). Han foretog en relativ nøjagtig bestemmelse af elektronens elektriske ladning ved hjælp af det såkaldte 'oliedråbeforsøg'.
I luften mellem de to plader i en pladekondensator forstøvede han nogle oliedråber. Dernæst gjorde han oliedråberne elektrisk ladede ved bestråling med en radioaktiv kilde. Ved at justere størrelsen af det elektriske felt i pladekondensatoren, kunne han ændre størrelsen af den elektriske kraft på en elektrisk ladet oliedråbe. Gennem et mikroskop kunne han iagttage de elektrisk ladede oliedråbers bevægelse. En bestemt oliedråbe er under bevægelsen påvirket af tyngdekraften, den elektriske kraft, en gnidningskraft og en opdriftskraft fra luften. De benyttede oliedråbers masse kan bestemmes i et uafhængigt forsøg. I bevægelsesligningen (Newtons 2. lov) for en given oliedråbe indgår størrelsen af dens elektriske ladning.
Ved analyse af sine måleresultater fandt Millikan, at en oliedråbes elektriske ladning altid var et helt tal gange en mindste elektrisk ladning, der numerisk var lig med den elektriske ladning af en elektron.

Millikan fik i 1923 Nobelprisen i fysik. Dette bl.a. for at have bestemt elektronens elektriske ladning. Men også for at have bekræftet Einsteins fotoelektriske lov fra 1905, og herudfra at have bestemt størrelsen af Plancks konstant, som blev indført af den tyske fysiker Max Planck (1858-1947) i år 1900, og som er grundlæggende i kvanteteorien.

De i dag anvendte størrelser er for elektronens elektriske ladning q_e = 1,6·10^-19 Coulomb og for elektronens hvilemasse m_e = 9,11·10^-31 kg.
Hvilemassen er den masse en partikel 'udviser', når dens hastighed er nul. I 1902 og de følgende år viste den tyske fysiker Walter Kaufmann (1871-1947), ved forsøg, at en elektrons såkaldte inertielle masse vokser med dens hastighed. Den målte masseforøgelse kunne bekræfte den formel for masseforøgelse som Albert Einstein (1879-1955) udledte i sin specielle relativitetsteori i 1905.

Elektronen – partikel eller bølge?
I 1923 fremsatte den franske fysiker Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987) den hypotese, at 'stofpartikler' såsom elektroner, havde 'bølge-egenskaber'. Til en partikel knyttede de Broglie en 'bølgelængde', der var givet ved Plancks konstant divideret med produktet af partiklens masse og aktuelle fart.

Louis-Victor Pierre Raymond de Broglie (1892-1987).
Fremsatte hypotesen om partiklers 'bølgenatur' i 1923.

I 1927 blev Louis de Broglies teori bekræftet, idet det ved forsøg blev vist, at en elektronstråle efter spredning på et krystal dannede et bøjnings-mønster, et interferens-mønster, svarende til det som kan frembringes ved hjælp af lys der interfererer. Ved visse forsøg udviste elektronerne altså bølgeegenskaber og ikke individuelle partikelegenskaber. Selv om man sendte enkelte elektroner af sted efter hinanden, også med større tid imellem, så blev der efter spredning på et krystal registreret interferens-mønstre. (Forklaringen kunne måske være, at de enkelte elektroner vekselvirker med og bliver 'dirigeret' af en 'kosmisk kvante-substans', der befinder sig 'overalt', også i et formodet vakuum mellem elektronkilde og krystal og i og mellem krystal og registreringsapparatur).

Elektronstråleforsøgene blev udført af Clinton Joseph Davisson (1881-1958) og Lester Halbert Germer (1896-1971). Uafhængigt af disse blev elektroners 'bølgenatur' opdaget af George Paget Thomson (1892-1975), der var søn af Joseph John Thomson, elektronens opdager. Davisson og Thomson delte i 1937 Nobelprisen i fysik for deres opdagelser. Interessant er det, at J. J. Thomson fik Nobelprisen for at påvise at elektronen er en 'partikel', hvorimod hans søn fik den for påvisningen af elektronens 'bølge-natur'.

Er Naturen dobbelttydig?
At fænomener i Naturen viser dobbelthed blev accepteret som noget grundlæggende af Niels Bohr og hans tilhængere, den såkaldte 'Københavnerskole'. I 1927 formulerede Bohr det såkaldte komplementaritets-princip, der tillader, at eksempelvis elektroner i visse forsøg udviser 'partikelnatur', og i andre forsøg udviser 'bølgenatur'. Den komplette viden opnås først ved kendskab til begge typer af forsøgsresultater, hævdes det i 'Københavnerskolen'.
Om Naturen virkelig opfører sig på denne dobbelttydige triste måde må fremtidens mere grundlæggende studier bekræfte eller afkræfte!