Le physicien britannique J.J. Thomson annonce la découverte des électrons

Le physicien britannique J.J. Thomson annonce la découverte des électrons

Le 30 avril 1897, le physicien britannique J.J. Thomson a annoncé sa découverte que les atomes étaient constitués de composants plus petits. Cette découverte a révolutionné la façon dont les scientifiques considéraient l'atome et a eu des ramifications majeures pour le domaine de la physique. Bien que Thompson les ait appelés "corpuscules", ce qu'il a trouvé est plus communément connu aujourd'hui sous le nom d'électron.

L'humanité avait déjà découvert le courant électrique et l'avait exploité à bon escient, mais les scientifiques n'avaient pas encore observé la composition des atomes. Thomson, professeur très respecté à Cambridge, a déterminé l'existence des électrons en étudiant les rayons cathodiques. Il a conclu que les particules constituant les rayons étaient 1 000 fois plus légères que l'atome le plus léger, prouvant qu'il existait quelque chose de plus petit que les atomes. Thomson a comparé la composition des atomes à celle du plum pudding, avec des « corpuscules » chargés négativement disséminés dans un champ chargé positivement.

L'analogie du plum pudding a été réfutée par Ernest Rutherford, un étudiant et collaborateur de Thomson, dans le laboratoire de Thomson à Cambridge en 1910. La conclusion de Rutherford selon laquelle la charge positive d'un atome réside dans son noyau a établi le modèle de l'atome tel que nous le connaissons aujourd'hui. En plus de remporter son propre prix Nobel, Thomson a employé six assistants de recherche qui ont ensuite remporté des prix Nobel de physique et deux, dont Rutherford, qui a remporté des prix Nobel de chimie. Son fils, George Paget Thomson, a également remporté un prix Nobel pour son étude des électrons. Combiné à ses propres recherches, le réseau de chercheurs atomiques que Thomson a cultivé a donné à l'humanité une compréhension nouvelle et détaillée des plus petits éléments constitutifs de l'univers.


Découverte des électrons

Au cours des années 1880 et 90, les scientifiques ont recherché dans les rayons cathodiques le support des propriétés électriques de la matière. Leurs travaux ont abouti à la découverte par le physicien anglais J.J. Thomson de l'électron en 1897. L'existence de l'électron a montré que la conception vieille de 2000 ans de l'atome comme particule homogène était fausse et qu'en fait l'atome a une structure complexe.

Les études sur les rayons cathodiques ont commencé en 1854 lorsque Heinrich Geissler, souffleur de verre et assistant technique du physicien allemand Julius Plücker, a amélioré le tube à vide. Plücker a découvert les rayons cathodiques en 1858 en scellant deux électrodes à l'intérieur du tube, en évacuant l'air et en forçant le courant électrique entre les électrodes. Il a trouvé une lueur verte sur la paroi de son tube de verre et l'a attribuée aux rayons émanant de la cathode. En 1869, avec de meilleurs aspirateurs, l'élève de Plücker Johann W. Hittorf a vu une ombre projetée par un objet placé devant la cathode. L'ombre prouvait que les rayons cathodiques provenaient de la cathode. Le physicien et chimiste anglais William Crookes a étudié les rayons cathodiques en 1879 et a découvert qu'ils étaient courbés par un champ magnétique, la direction de la déviation suggérait qu'il s'agissait de particules chargées négativement. Comme la luminescence ne dépendait pas de quel gaz avait été dans le vide ou de quel métal les électrodes étaient faites, il supposa que les rayons étaient une propriété du courant électrique lui-même. À la suite des travaux de Crookes, les rayons cathodiques ont été largement étudiés et les tubes ont été appelés tubes de Crookes.

Bien que Crookes croyait que les particules étaient des particules chargées électrifiées, son travail n'a pas résolu la question de savoir si les rayons cathodiques étaient des particules ou un rayonnement similaire à la lumière. À la fin des années 1880, la controverse sur la nature des rayons cathodiques avait divisé la communauté des physiciens en deux camps. La plupart des physiciens français et britanniques, influencés par Crookes, pensaient que les rayons cathodiques étaient des particules chargées électriquement car elles étaient affectées par des aimants. La plupart des physiciens allemands, d'autre part, croyaient que les rayons étaient des ondes car ils se déplaçaient en ligne droite et n'étaient pas affectés par la gravité. Un test crucial de la nature des rayons cathodiques était de savoir comment ils seraient affectés par les champs électriques. Heinrich Hertz, le physicien allemand susmentionné, a rapporté que les rayons cathodiques n'étaient pas déviés lorsqu'ils passaient entre deux plaques de charge opposée dans une expérience de 1892. En Angleterre, J.J. Thomson pensait que le vide de Hertz était peut-être défectueux et que le gaz résiduel aurait pu réduire l'effet du champ électrique sur les rayons cathodiques.

Thomson a répété l'expérience de Hertz avec un meilleur vide en 1897. Il a dirigé les rayons cathodiques entre deux plaques d'aluminium parallèles vers l'extrémité d'un tube où ils ont été observés sous forme de luminescence sur le verre. Lorsque la plaque d'aluminium supérieure était négative, les rayons descendaient lorsque la plaque supérieure était positive, les rayons montaient. La déviation était proportionnelle à la différence de potentiel entre les plaques. Avec les déflexions magnétiques et électriques observées, il était clair que les rayons cathodiques étaient des particules chargées négativement. La découverte de Thomson a établi la nature particulaire de l'électricité. En conséquence, il a appelé ses particules électrons.

À partir de l'amplitude des déflexions électriques et magnétiques, Thomson a pu calculer le rapport masse/charge des électrons. Ce rapport était connu pour les atomes à partir d'études électrochimiques. En le mesurant et en le comparant au nombre d'un atome, il a découvert que la masse de l'électron était très petite, à peine 1/1 836 celle d'un ion hydrogène. Lorsque les scientifiques ont réalisé qu'un électron était pratiquement 1 000 fois plus léger que le plus petit atome, ils ont compris comment les rayons cathodiques pouvaient pénétrer dans les tôles et comment le courant électrique pouvait circuler à travers les fils de cuivre. En dérivant le rapport masse-charge, Thomson avait calculé la vitesse de l'électron. C'était 1/10 la vitesse de la lumière, s'élevant ainsi à environ 30 000 km (18 000 miles) par seconde. Thomson a souligné que

nous avons dans les rayons cathodiques la matière dans un état nouveau, état dans lequel la subdivision de la matière est poussée beaucoup plus loin que dans l'état gazeux ordinaire, état dans lequel toute matière, c'est-à-dire la matière provenant de sources différentes comme l'hydrogène, l'oxygène, etc., est d'une même espèce, cette matière étant la substance à partir de laquelle tous les éléments chimiques sont construits.

Ainsi, l'électron a été la première particule subatomique identifiée, le morceau de matière le plus petit et le plus rapide connu à l'époque.

En 1909, le physicien américain Robert Andrews Millikan a grandement amélioré une méthode employée par Thomson pour mesurer directement la charge des électrons. Dans l'expérience des gouttes d'huile de Millikan, il a produit des gouttelettes d'huile microscopiques et les a observées tombant dans l'espace entre deux plaques chargées électriquement. Certaines des gouttelettes se sont chargées et ont pu être suspendues par un ajustement délicat du champ électrique. Millikan connaissait le poids des gouttelettes d'après leur taux de chute lorsque le champ électrique était éteint. A partir de l'équilibre des forces gravitationnelles et électriques, il a pu déterminer la charge sur les gouttelettes. Toutes les charges mesurées étaient des multiples entiers d'une quantité qui, en unités contemporaines, est de 1,602 × 10 −19 coulomb. L'expérience de charge électronique de Millikan a été la première à détecter et à mesurer l'effet d'une particule subatomique individuelle. En plus de confirmer la nature particulaire de l'électricité, son expérience a également soutenu les déterminations précédentes du nombre d'Avogadro. Le nombre d'Avogadro multiplié par l'unité de charge donne la constante de Faraday, la quantité de charge nécessaire pour électrolyser une mole d'un ion chimique.


30 avril 1897 : J.J. Thomson annonce l'électron. Sorte de

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Joseph John Thomson ne nous a donné ni le nom, ni la structure, ni la masse exacte, mais il a été le premier à identifier une particule subatomique. Reproduction de gravure sur acier de L'électricien, 1896

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1897: Le physicien J.J. Thomson raconte à un public scientifique surpris qu'il a découvert quelque chose de plus petit qu'un atome, une particule avec une masse minuscule et une charge négative.

Certains dans l'auditoire de l'Institution royale de Grande-Bretagne ce vendredi soir ont dit plus tard à Thomson qu'ils pensaient qu'il "se tirait les jambes". L'atome, après tout, était connu pour être indivisible. C'est ce que signifiait son nom.

En tant que directeur du laboratoire Cavendish de l'université de Cambridge, Thomson faisait des recherches sur les courants électriques à l'intérieur des tubes cathodiques. Il a observé que les rayons sont déviés par un champ électrique.

Les chercheurs avaient été intrigués par les rayons cathodiques jusqu'à ce que Thomson théorise que les rayons étaient en fait des flux de petites particules subatomiques, les premières connues. Il les a appelés « corpuscules », le latin pour « petits corps ».

Thomson a estimé que ses corpuscules chargés négativement représentaient environ un millième de la masse d'un atome d'hydrogène (1/1836 ou 1/1837 est le rapport accepté aujourd'hui), correspondant à une charge positive ailleurs dans l'atome. Thomson était vague en 1897, mais a théorisé plus tard que les électrons négatifs pullulaient dans une "sphère d'électrification positive uniforme".

Dans un commentaire sur la version publiée de la conférence de Thomson, le physicien irlandais George F. FitzGerald a suggéré que les corpuscules étaient en fait des électrons libres.

D'autres scientifiques avaient proposé que les rayons cathodiques étaient composés de particules et avaient tenté d'établir leur masse et leur charge relatives. La grande contribution de Thomson a été d'estimer ce rapport et de reconnaître que le rapport était universel et ne dépendait pas des matériaux spécifiques. Cela l'a amené à postuler que les particules étaient l'un des éléments constitutifs de l'atome lui-même, même s'il ne l'avait pas pleinement prouvé au moment de sa conférence d'époque.

Thomson a reçu le prix Nobel de 1906 "en reconnaissance des grands mérites de ses recherches théoriques et expérimentales sur la conduction de l'électricité par les gaz." Il a été fait chevalier en 1908.

Son livre de 1907 était intitulé The Corpuscular Theory of Matter, et il a continué à appeler sa découverte "corpuscles" jusqu'en 1913.


J.J. Thomson est né en 1856 à Cheetham Hill, Manchester en Angleterre, d'origine écossaise. En 1870, il étudia l'ingénierie à l'Université de Manchester connue sous le nom d'Owens College à l'époque, et passa au Trinity College, Cambridge en 1876. En 1880, il obtint son BA en mathématiques (deuxième Wrangler et 2e prix Smith) et MA (avec Adams Prize) en 1883. En 1884, il devient professeur Cavendish de physique. L'un de ses étudiants était Ernest Rutherford, qui lui succédera plus tard à ce poste. En 1890, il épousa Rose Elisabeth Paget, fille de Sir George Edward Paget, KCB, médecin puis professeur Regius de physique à Cambridge. Il a eu un fils, George Paget Thomson, et une fille, Joan Paget Thomson, avec elle. L'une des plus grandes contributions de Thomson à la science moderne a été son rôle d'enseignant hautement doué, sept de ses assistants de recherche et son fils susmentionné ayant remporté le prix Nobel de physique. Son fils a remporté le prix Nobel en 1937 pour avoir prouvé les propriétés ondulatoires des électrons.

Il a reçu un prix Nobel en 1906, « en reconnaissance des grands mérites de ses recherches théoriques et expérimentales sur la conduction de l'électricité par les gaz ». Il a été fait chevalier en 1908 et nommé à l'Ordre du Mérite en 1912. En 1914, il a donné la Conférence Romanes à Oxford sur « La théorie atomique ». En 1918, il devint maître du Trinity College de Cambridge, où il resta jusqu'à sa mort. Il mourut le 30 août 1940 et fut enterré dans l'abbaye de Westminster, près de Sir Isaac Newton.

Thomson a été élu membre de la Royal Society le 12 juin 1884 et a ensuite été président de la Royal Society de 1915 à 1920.

Carrière

Rayons cathodiques

Thomson a mené une série d'expériences avec des rayons cathodiques et des tubes à rayons cathodiques le menant à la découverte des électrons et des particules subatomiques. Thomson a utilisé le tube cathodique dans trois expériences différentes.

Première expérience

Dans sa première expérience, il a recherché si oui ou non la charge négative pouvait être séparée des rayons cathodiques au moyen du magnétisme. Il a construit un tube à rayons cathodiques se terminant par une paire de cylindres avec des fentes. Ces fentes étaient à leur tour reliées à un électromètre. Thomson a découvert que si les rayons étaient courbés magnétiquement de telle sorte qu'ils ne pouvaient pas entrer dans la fente, l'électromètre enregistrait peu de charge. Thomson a conclu que la charge négative était inséparable des rayons.

Deuxième expérience

Dans sa deuxième expérience, il a cherché à savoir si les rayons pouvaient ou non être déviés par un champ électrique (ce qui est caractéristique des particules chargées). Les expérimentateurs précédents n'avaient pas observé cela, mais Thomson pensait que leurs expériences étaient erronées car elles contenaient des traces de gaz. Thomson a construit un tube à rayons cathodiques avec un vide pratiquement parfait et a enduit une extrémité de peinture phosphorescente. Thomson a constaté que les rayons se sont en effet pliés sous l'influence d'un champ électrique, dans une direction indiquant une charge négative.

Troisième expérience

Dans sa troisième expérience, Thomson a mesuré le rapport charge/masse des rayons cathodiques en mesurant combien ils étaient déviés par un champ magnétique et combien d'énergie ils transportaient. Il a découvert que le rapport charge sur masse était plus de mille fois supérieur à celui d'un ion hydrogène (H + ), suggérant que les particules étaient très légères ou très fortement chargées.

Les conclusions de Thomson étaient audacieuses : les rayons cathodiques étaient en effet constitués de particules qu'il appelait « corpuscules », et ces corpuscules provenaient de l'intérieur des atomes des électrodes elles-mêmes, ce qui signifie que les atomes sont en fait divisibles. Les « corpuscules » découverts par Thomson s'identifient aux électrons qui avaient été proposés par G. Johnstone Stoney.

Thomson a imaginé l'atome comme étant constitué de ces corpuscules grouillant dans une mer de charge positive, c'était son modèle de plum pudding. Ce modèle s'est avéré plus tard incorrect quand Ernest Rutherford a montré que la charge positive est concentrée dans le noyau.

La découverte de Thomson a été connue en 1897 et a fait sensation dans les cercles scientifiques, ce qui lui a finalement valu un prix Nobel de physique en 1906.

Isotopes et spectrométrie de masse

En 1913, dans le cadre de son exploration de la composition des rayons du canal, Thomson a canalisé un flux de néon ionisé à travers un champ magnétique et électrique et a mesuré sa déviation en plaçant une plaque photographique sur son chemin. Thomson a observé deux taches de lumière sur la plaque photographique (voir l'image à droite), ce qui a suggéré deux paraboles différentes de déviation. Thomson a conclu que le gaz néon était composé d'atomes de deux masses atomiques différentes (néon-20 et néon-22).

Cette séparation des isotopes du néon par leur masse a été le premier exemple de spectrométrie de masse, qui a ensuite été améliorée et développée en une méthode générale par l'étudiant de Thomson F. W. Aston et par A. J. Dempster.

Autre travail

En 1906, Thomson démontra que l'hydrogène n'avait qu'un seul électron par atome. Les théories précédentes autorisaient différents nombres d'électrons.


Rapport masse/charge

Thomson a poussé ses expériences plus loin pour déterminer le rapport masse-charge des électrons en déviant un faisceau de rayons cathodiques par des champs électriques et magnétiques. Ces informations plus précises sur les propriétés des électrons ont permis à Thomson, en 1904, de rédiger un modèle de l'atome connu sous le nom de "modèle de pudding aux prunes". Il décrivait une sphère de matière positive qui renfermait les « corpuscules » ou électrons, répartis sur une grande mer de charge positive.


Joseph John Thomson

Joseph John Thomson, mieux connu sous le nom de J. J. Thomson, était un physicien britannique qui a d'abord théorisé et offert des preuves expérimentales que l'atome était une entité divisible plutôt que l'unité de base de la matière, comme on le croyait largement à l'époque.

Joseph John Thomson, mieux connu sous le nom de J. J. Thomson, était un physicien britannique qui a d'abord théorisé et offert des preuves expérimentales que l'atome est une entité divisible plutôt que l'unité de base de la matière, comme on le croyait largement à l'époque. Une série d'expériences avec des rayons cathodiques qu'il mena vers la fin du 19e siècle lui permit de découvrir le électron, une particule atomique chargée négativement avec très peu de masse. Thomson a reçu le prix Nobel de physique en 1906 pour ses travaux explorant la conductivité électrique de divers gaz.

Fils d'un libraire, Thomson est né le 18 décembre 1856 à Cheetham Hill, situé juste au nord de Manchester, en Angleterre. Il est entré à l'Owens College à l'âge de 14 ans, où il s'est intéressé à la physique expérimentale, même s'il avait initialement l'intention de poursuivre une carrière en ingénierie. Le père de Thomson est décédé quelques années seulement après ses études collégiales, ce qui rendait financièrement difficile pour Thomson de rester à l'école. Cependant, grâce aux efforts de sa famille et à des bourses, il a continué à Owens College jusqu'en 1876. Il a ensuite été transféré au Trinity College de Cambridge grâce à une bourse de mathématiques. Il est resté associé à l'Université de Cambridge à divers titres le reste de sa vie. En 1880, Thomson a obtenu un baccalauréat en mathématiques et est devenu deuxième wrangler, un titre décerné à la deuxième personne ayant obtenu le meilleur score aux examens de mathématiques de Cambridge.

Après avoir obtenu son diplôme, Thomson est devenu membre du Trinity College et a commencé à travailler au Cavendish Laboratory, qui fait partie du département de physique de Cambridge. En 1883, il est devenu maître de conférences à Cambridge et l'année suivante a été nommé professeur Cavendish de physique expérimentale, devenant le successeur de Lord Rayleigh. Toujours en 1884, la Royal Society de Londres a élu Thomson en tant que membre. La réception d'honneurs aussi considérables par un si jeune scientifique était très inhabituelle, mais était en grande partie le résultat des premiers travaux importants de Thomson élargissant les théories de l'électromagnétisme de James Clerk Maxwell. La couverture de ces efforts, qui s'est poursuivie pendant de nombreuses années, est apparue dans le traité de Thomson de 1892. Notes sur les recherches récentes en électricité et magnétisme.

Au début des années 1890, une grande partie des recherches de Thomson se concentrait sur la conduction électrique dans les gaz. Lors d'une visite aux États-Unis en 1896, il donna une série de conférences sur ses découvertes. En 1897, les conférences ont été publiées comme Décharge d'électricité par les gaz. La même année, lorsque Thomson retourna à Cambridge, il fit sa découverte scientifique la plus importante, celle de l'électron (qu'il appela initialement le corpuscule). Le 30 avril 1897, Thomson rendit publique sa découverte en donnant une conférence à la Royal Institution. Les preuves qu'il a produites à l'appui de ses affirmations théoriques ont été tirées d'une série d'expériences innovantes avec des tubes à rayons cathodiques. Dans une expérience, Thomson a tenté d'utiliser le magnétisme pour voir si la charge négative pouvait être séparée des rayons cathodiques, dans une autre, il a essayé de dévier les rayons avec un champ électrique, et dans une troisième, il a évalué le rapport charge/masse des rayons. . Ces études et d'autres menées par Thomson et d'autres ont rapidement conduit à une large acceptation de la découverte de Thomson.

Une fois l'existence de l'électron acceptée, l'étape suivante consistait à examiner comment les particules étaient incorporées dans l'atome. Thomson était au départ un fervent partisan de ce qu'on appelle communément le modèle atomique plum-pudding ou la Modèle atomique de Thomson, bien que de nombreuses autres représentations de l'atome aient été suggérées par ses contemporains. Selon le point de vue de Thomson, chaque atome était une sphère chargée positivement avec des électrons dispersés partout (comme des morceaux de fruits dans un pudding aux prunes). Il maintint cette notion jusqu'à ce que des recherches expérimentales et des travaux théoriques indiquent que le modèle atomique décrit en 1911 par Ernest Rutherford, un ancien élève de Thomson, était beaucoup plus probable. Le modèle atomique de Rutherford décrivait la structure de l'atome comme un noyau chargé positivement autour duquel circulaient des électrons chargés négativement. Les recherches menées depuis lors ont conduit à l'abandon du modèle de Rutherford au profit d'autres modèles atomiques.

Pendant la majeure partie de sa vie, Thomson était une figure scientifique de premier plan en Grande-Bretagne. Il a occupé divers postes administratifs et a reçu de nombreux prix prestigieux en plus du prix Nobel. Thomson a été président de la Royal Society de 1915 à 1920 et a reçu plusieurs médailles de l'organisation, dont la Royal Medal (1894), la Hughes Medal (1902) et leur plus haute distinction, la Copley Medal (1914). En 1908, la famille royale a honoré Thomson du titre de chevalier et l'année suivante, il a été élu président de l'Association britannique pour l'avancement des sciences. Ses contributions ont en outre été reconnues par l'Ordre du mérite (1912), l'élection en tant que maître du Trinity College (1918) et des diplômes honorifiques d'universités du monde entier.

Thomson s'est marié en 1890. Sa femme était Rose Elisabeth Paget, fille de Sir George E. Paget, professeur Regius de physique à Cambridge. Le couple avait deux enfants. Leur fils, George Paget Thomson, a suivi les traces de son père, remportant le prix Nobel de physique pour ses travaux sur l'électron.


La découverte de l'électron a pris des décennies et de multiples scientifiques

Dans cet article sur l'histoire de la théorie des atomes, le professeur de physique (et mon père) Dean Zollman discute de la découverte de l'électron. Bien qu'un scientifique doué ait obtenu le crédit, il a eu de l'aide. – Kim

Par Dean Zollman
Au cours de la dernière décennie du XIXe siècle, les découvertes ont ouvert de nouvelles voies dans notre réflexion sur la composition de la matière. Deux de ces découvertes – la radioactivité et les rayons X – étaient quelque peu accidentelles. Nous examinerons chacun d'eux dans les prochains articles. Une autre, l'identification de l'électron en tant que composant de la matière, était le résultat d'une recherche minutieuse et du développement de technologies améliorées. Dans cet article, je discuterai de l'électron, de la façon dont il a été découvert et de certaines des opinions récentes sur la question de savoir si cette recherche était vraiment une découverte.

L'année généralement acceptée pour la "découverte" de l'électron est 1897. Cependant, cette découverte a ses racines dans la recherche et le développement qui remontent à la première moitié du 19ème siècle. Parce que des recherches comme celle-ci sont toujours construites sur des travaux antérieurs, j'ai du mal à savoir jusqu'où remonter. J'ai choisi de commencer l'histoire avec Heinrich Geissler (1814-1879).

Geissler était un facteur d'instruments qui, en 1857, créa des tubes à décharge électrique. Ces tubes étaient de longs cylindres de verre scellés et avaient des électrodes métalliques à chaque extrémité. Geissler a connecté une haute tension aux deux électrodes et a utilisé une autre de ses inventions, la pompe à vide, pour diminuer la pression à l'intérieur du tube. Il a découvert que le gaz à l'intérieur du tube brillait, la couleur dépendant du gaz emprisonné à l'intérieur. L'image ci-dessous montre un dessin, publié en 1869, de plusieurs tubes Geissler différents. Ces instruments peuvent vous rappeler les néons et ils devraient le faire. Les tubes utilisés dans les néons sont des variantes modernes des tubes Geissler.

Par M. Rapine (domaine public)

Geissler a mené des recherches pour améliorer les tubes. Il a fourni de nombreux tubes à d'autres chercheurs et les a vendus à des non-scientifiques à des fins de divertissement et de décoration.

Le rayon cathodique

Sir William Crookes dessiné par Sir Leslie Ward en 1902 (domaine public)

L'un des chercheurs était William Crookes (1832-1919). Crookes a amélioré le tube et a mené de nombreuses expériences. L'une de ses conclusions était que quelque chose était émis par l'électrode négative et se déplaçait en ligne droite vers l'extrémité positive du tube. Tout ce qui bougeait semblait se comporter un peu comme des rayons de lumière. L'extrémité négative d'un appareil électrique s'appelait la cathode, de sorte que ces « choses » sont devenues connues sous le nom de rayons cathodiques et les vaisseaux ont été appelés tubes à rayons cathodiques. (Si vous souhaitez voir plusieurs photographies de tubes Geissler et Crookes, vous devriez visiter le site des tubes cathodiques.)

Tout comme la lumière, les rayons cathodiques pourraient projeter une ombre. Dans une expérience célèbre. Crookes a inséré une croix de Malte dans un tube. Il vit qu'une ombre de la croix était projetée au bout du tube. Cependant, les rayons cathodiques agissaient à certains égards différemment de la lumière. Par exemple, ils pourraient être déviés par un champ magnétique.

Par D-Kuru, utilisé selon les termes de la licence Creative Commons BY-SA 2.0

Deux vues différentes des rayons cathodiques se sont développées. La plupart des physiciens britanniques ont conclu que les expériences indiquaient que les « rayons » étaient un certain type de particule. Crookes a proposé qu'ils étaient des molécules chargées négativement. Sur le continent européen, principalement en Allemagne, le comportement semblable à la lumière a conduit les physiciens à la conclusion que les rayons étaient des perturbations dans l'éther.

Chaque partie avait des preuves expérimentales pour étayer son point de vue. À l'époque, la lumière était « connue » pour être une onde qui traversait l'éther, et toutes les ondes et autres perturbations dans l'éther étaient supposées voyager à la même vitesse que la lumière. Cependant, les rayons cathodiques se sont déplacés à des vitesses beaucoup plus lentes. Ce fait était donc une indication que les rayons n'étaient pas des perturbations dans l'éther mais des particules. De plus, du côté des particules, les rayons étaient déviés par un champ magnétique, indiquant qu'ils avaient une charge électrique.

Les atomes ont des «corpuscules»

De nombreux scientifiques de premier plan qui ont participé à ce débat ont également mené des travaux liés au modèle de l'atome en tant que vortex dans l'éther dont nous avons discuté le mois dernier. L'un était John Joseph Thomson (1856-1940). Le mois dernier, j'ai mentionné qu'il avait écrit un article théorique sur les tourbillons dans l'éther. En 1884, il devient professeur Cavendish de physique à l'université de Cambridge où il entreprend de nombreuses études expérimentales. En 1895, on a découvert que les rayons X provenaient d'un tube de Crookes (plus de détails sur cette découverte la prochaine fois). Ce résultat a suscité l'intérêt de Thomson pour les rayons cathodiques. Il se mit à mesurer le rapport de la masse d'un rayon cathodique à sa charge électrique. Un dessin et une photo de son appareil sont présentés ci-dessous.

Par J.J. Thomson (Magazine philosophique, 44, 293 (1897, domaine public)

Photo par Science Museum London/ Science and Society Picture Library (utilisée selon les termes de la licence Creative Commons BY-SA 2)

Sur le dessin, la cathode est étiquetée C. C'est là que les rayons cathodiques sont émis. L'élément marqué A est l'électrode positive (anode) de sorte que les rayons cathodiques sont attirés vers elle. Mais il y a une fente dans l'anode, donc certains rayons cathodiques traversent la fente et continuent leur voyage. L'objet B rétrécit le faisceau de rayons qui passe dans la région suivante. D et E sont des plaques métalliques qui peuvent être connectées à une batterie. Non représentés sur le dessin mais visibles sur la photo, deux bobines de fil peuvent être utilisées pour créer un champ magnétique. Avec tout cet équipement, Thomson et ses assistants pouvaient dévier les rayons cathodiques vers le haut ou vers le bas. Connectez le côté positif de la batterie à D et négatif à E et les rayons montent. Inversez-le et ils descendent. Le champ magnétique est un peu plus complexe, mais des mouvements de haut en bas peuvent être créés par la direction du courant électrique dans les bobines.

Le plan de Thomson était d'équilibrer les forces électriques et magnétiques afin que les rayons cathodiques traversent directement son appareil, même s'ils sont soumis à la fois à des forces électriques et magnétiques. A partir des tensions et des courants, il pouvait déterminer l'ampleur de ces forces. Ensuite, en faisant un peu d'algèbre avec des équations développées au XIXe siècle, il a pu trouver une valeur pour le rapport de la masse d'un rayon cathodique à sa charge. Il ne pouvait déterminer ni la charge par elle-même ni la masse par elle-même. Ses mesures ne permettaient qu'une détermination du rapport.

Cependant, ce rapport était suffisant pour indiquer que les rayons cathodiques étaient quelque chose de très différent de tout objet connu. D'abord, c'étaient des particules. Une perturbation dans l'éther n'aurait pas pu être déviée de cette manière. Deuxièmement, le rapport mesuré par Thomson était environ 1 000 fois différent de celui auquel il aurait pu s'attendre si les rayons cathodiques étaient des atomes. Cependant, il ne pouvait pas avec l'expérience déterminer ce qui était différent. La masse aurait pu être 1 000 fois plus petite ou la charge électrique aurait pu être 1 000 fois plus grande. (Les mesures de Thomson n'étaient pas très bonnes. Aujourd'hui, nous savons que l'électron est environ 1 800 fois moins massif que le noyau d'hydrogène. Mais rien d'aussi petit n'avait jamais été mesuré, donc être éloigné d'une grande quantité n'avait pas d'importance.)

Thomson a parié sur la masse étant plus petite. Le 30 avril 1897, lors d'une conférence publique, il annonça la découverte des « corpuscules », qui, selon lui, étaient de très petits constituants de tous les atomes. Au cours des années suivantes, il réalise plusieurs autres expériences, dont une qui lui permet de déterminer la masse des corpuscules. Finalement, il a construit un modèle de l'atome qui comprenait les corpuscules. Mais je garde ça pour un post ultérieur.

Dans un article précédent, j'ai mentionné George Stoney (1826 –1911) qui a inventé le mot électron en 1891. D'autres ont commencé à utiliser cette étiquette pour les corpuscules cathodiques, mais pas Thomson. Dans son discours d'acceptation du prix Nobel (1906), Thomson a qualifié les « porteurs d'électricité négative » de « corpuscules ».

Alors, qui mérite le crédit ?

Les historiens et les philosophes des sciences discutent beaucoup de la découverte de l'électron. De nombreuses expériences ont conduit aux Thomson’. Et d'autres faisaient des expériences similaires à peu près au même moment. Alors, Thomson devrait-il mériter le crédit pour la « découverte » alors qu'il ne s'agissait que d'une étape dans un processus en plusieurs étapes ? De plus, l'impact de l'annonce de Thomson n'a pas été immédiat. Il a fallu du temps pour s'imprégner.

Certains philosophes utiliseront cet exemple pour débattre de ce que signifie découvrir quelque chose de nouveau. Je ne veux pas y aller. Il est clair que le travail de Thomson a été une étape importante dans notre compréhension de la structure de la matière. Il s'est appuyé sur le travail des autres, et d'autres ont construit sur lui. Certaines personnes faisaient un travail similaire en même temps. C'est ainsi que la science fonctionne.

La prochaine fois, nous examinerons quelque chose qui était clairement une découverte – les rayons X.

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  • En plus d'être un excellent scientifique, Thomson était aussi un mentor doué. Sept de ses assistants de recherche et son fils ont reçu des prix nobles.
  • Le tube cathodique peut sembler être un appareil ésotérique. Cependant, jusqu'à très récemment, nous en avions presque tous au moins un dans nos maisons. Avant les téléviseurs à écran plat, le tube image de nos téléviseurs était une version avancée d'un tube cathodique. À l'arrière se trouvait un appareil qui accélérait les électrons. C'était assez similaire aux parties A et C du diagramme de Thomson. Ensuite, des bobines magnétiques similaires aux bobines de fil dans l'appareil de Thomson ont appliqué des forces pour diriger les électrons vers divers emplacements sur le devant de l'écran. Bien sûr, faire cela de telle manière que nous avons vu qu'une image nécessitait une technologie qui n'était pas disponible avant le 20ème siècle. Mais les principes de base sont sensiblement les mêmes que lorsque J.J. Thomson identified cathode rays as corpuscles that eventually came to be called electrons.
  • You can try a virtual version of Thomson’s experiment. This one shows a drawing of modern equipment such as students would use today. In this simulation, changing the current changes the magnetic force while changing the voltage changes the electric force. Another has the same experiment, but it is set in apparatus similar to that of Thomson. For this one, E is the electric field, and B is the magnetic field.

Images via Wikimedia Commons.

Dean Zollman is university distinguished professor of physics at Kansas State University where he has been a faculty member for more than 40 years. During his career he has received four major awards — the American Association of Physics Teachers’ Oersted Medal (2014), the National Science Foundation Director’s Award for Distinguished Teacher Scholars (2004), the Carnegie Foundation for the Advancement of Teaching Doctoral University Professor of the Year (1996), and AAPT’s Robert A. Millikan Medal (1995). His present research concentrates on the teaching and learning of physics and on science teacher preparation.


Discovery of the Electron

Thomson continued to investigate the cathode rays, and he calculated the velocity of the rays by balancing the opposing deflection caused by magnet and electric fields in a cathode ray tube. By knowing the velocity of the cathode rays and using a deflection from one of the fields, he was able to determine the ratio of electric charge (e) to the mass (m) of the cathode rays. He continued this line of experimentation and introduced various gases into the cathode tube and found that the ratio of the charge to mass (e/m) didn’t depend on the type of gas in the tube or the type of metal used in the cathode. He also determined that the cathode rays were about a thousand times lighter than the value already obtained for hydrogen ions. In further investigations, he measured the charge of electricity carried by various negative ions and found it to be the same in gaseous discharge as in electrolysis.

From his work with the cathode tube and comparison with results derived from electrolysis, he was able to conclude that cathode rays were negatively charged particles, fundamental to matter, and much smaller than the smallest known atom. He called these particles 𠇌orpuscles.” It would be a few years later before the name 𠇎lectron” would come into common usage.

Thomson first announced his idea that cathode rays were corpuscles at a Friday evening meeting of the Royal Institution in late April 1897. The suggestion put forth by Thomson that the corpuscles were about one thousand times smaller than the size of the then smallest particle known, the hydrogen atom, caused a stir in the scientific community. Also, the idea that all matter was made up of these small corpuscles was a real change in the view of the inner workings of the atom. The notion of the electron, or the smallest unit of negative charge, was not new however, Thomson’s assumption that the corpuscle was a fundamental building block of the atom was radical indeed. He is credited with the discovery of the electron since he provided experimental evidence of the existence of this very small fundamental particle—of which all matter consists. His work would not go unnoticed by the world, and in 1906 he was awarded the Nobel Prize in physics "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases." Two years later, he was knighted.

Thomson&aposs Plum Pudding model of the atom.


Impact

J. J. Thomson's identification of the electron in 1897 focused new attention on questions of atomic structure. Thomson conjectured that the electron was a fundamental building block of matter or atoms, and along with his colleagues at Cambridge attempted to build upon his discovery in order to model atomic structure with theoretical speculations and extensive experimental investigations, particularly scattering experiments. They struggled to explain many observations, such as the nature of positive charge, the relation between number of electrons and atomic weight, and the mechanical stability and chemical properties of atoms. While the Cambridge scientists and others working within the framework they had established came up with models of the atom that successfully accounted for many of these phenomena, the behavior of atoms came to be explained much more effectively as physicists adopted the ideas of quantum science beginning about 1912.

Other investigations also built upon Thomson's discovery. Further research by Thomson, as well as work by Henri Becquerel (1852-1908), Lenard, Ernst Rutherford (1871-1937), and others, helped to show that the electron identified by Thomson was the same as the negatively charged particles observed in phenomena such as radioactivity and the photoelectric effect. American scientist Robert Millikan (1868-1953) improved upon Thomson's measurement of the charge on the electron by observing the motion of charged oil drops. By the 1920s, scientists were studying electrons within the framework of quantum physics, and began to explore the theory that electrons behaved not only as particles but also as waves. Several Nobel Prizes were given for early research related to the discovery and study of the electron, including one to Thomson in 1906 and to Millikan in 1923. As testimony to Thomson's influence as a teacher, seven of his research assistants also went on to win Nobel Prizes for physical research.

The impact of the discovery of the electron extended far beyond science. Throughout the nineteenth century, research into electrical phenomena had been intertwined with efforts to advance practical uses of electricity such as the telegraph and electrical power. The investigations of Thomson's era helped bring about the rapid invention and development of "wireless telegraphy," or radio, and led to the invention of television and later the development of microwave technologies such as radar. Radio arose in part from investigations into the nature of the electromagnetic "ether" or atmosphere, a subject that Thomson also addressed in his research. The invention of television is more directly indebted to the discovery of the electron, as electronic television is based on cathode ray tubes in which a beam of electrons is aimed at a screen. While Thomson's experiments and theories did not result directly in any of these inventions, his contributions advanced understanding of the nature and behavior of electrical processes and atomic structure, making such technological developments easier and faster.


Problem #5: Describe the Atom [Solved]

Describe the atom, giving a brief historical background development that led to the present description.

As said in the previous problem, an atom is the smallest part of an element that can exist chemically. But the atom is not the ultimate particle of matter it is itself made of smaller particles called sub-atomic particles and it has a structure.

The atom has been an object of discussions and studies since antiquity. Greek Philosophers asked the question: What are the ultimate constituents of matter? Among the ideas proposed at that time is Democritus’s suggestion that matter discontinuous, i.e. matter is composed of atoms (in Greek, atomos means indivisible).

But it is at the beginning of 19 th Century that real scientific research about the nature and structure of the atom started. From that time up to now, many atomic models have been proposed:

I. Dalton’s Atomic Model

In 1803, the British chemist and physicist advanced a first scientific proposition of an atomic model or atomic theory. In his theory:

  1. Elements consist of indivisible small particles called “atoms”
  2. All atoms of the element are identical. Different elements have different types of atoms
  3. An atom can neither be created nor destroyed
  4. Compounds are formed when atoms of different elements join in simple ratios to form molecules
Source: Analist Chemistry Blog

Although this model constituted the cornerstone in the study of matter, it was discovered later on that some of the statements were right (4), others half-truth (2), others wrong (1, 3).

II. Thomson’s Atomic Model


Figure 1a: Cathode Ray Experiment
Source: Study.com


Figure 1b: JJ Thomson Atomic Model (Plum pudding atomic model)
Source: classnotes.org.in

III. Rutherford’s Atomic Model

In 1911, Ernest Rutherford, New Zealand-born British physicist, a former student of J.J. Thomson, after his gold foil experiment (Fig.2), proposed a new atomic model.

Figure 2: Gold Foil Experiment
Source: padakshep.org

In that model, almost the total mass of the atom is concentrated in the nucleus, surrounded by an empty space occupied by the tiny electrons revolving around the nucleus.


Figure 3: Rutherford's Atomic Model (Planetary Atomic Model)
Source: sutori.com

But this model couldn’t explain why the electrons, negatively charged, wouldn’t be attracted by the positively charged nucleus and spiral into the nucleus. According to James C. Maxwell, “An electron that is accelerating radiates energy. As it loses energy, it spirals in to the nucleus”. Hence the atom proposed by Rutherford couldn’t be stable!

IV. Bohr’s Atomic Model

In 1913, in order to solve the problem raised by Rutherford’s atomic model, Niels Bohr introduced the concept of quantization of atomic energy levels.

Only if an electron receives the appropriate energy corresponding to the difference between two energy levels, ΔE = En2 – En1= hν, then it can jump (excited state) from n1 level to n2level. But since the excited state is not stable, the electron will return back to the non-excited state or ground state by emitting the absorbed energy.


Formation of the Absorption and Emission Spectra of Hydrogen
Source: intl.siyavula.com

You have certainly observed the emission phenomenon when you drop willingly or accidentally some crystals of salt (NaCl) in a blue flame: a very brilliant yellow flame is observed, which is the emission flame of Sodium atom.

Emission Flame of Sodium
Source: thoughtco.com


Flame Test
Source: dornsife.usc.edu

Although Bohr’s atomic model helped in explaining some phenomena and behaviors of the atom, it has its own weaknesses:

  • This model applies well for Hydrogen atom, the simplest atom of the chemical elements, made of 1 proton and 1 electron it couldn’t apply for multi-electron (more than 1 electron) species
  • It is against the Heisenberg’s Uncertainty Principle, since in this model, the electron can be localized at any point of the orbit. The uncertainty principle states that it is not possible to know with high accuracy both the position and momentum of a moving particle.

V. Quantum Mechanical Model of the Atom

This model was introduced by Erwin Schrodinger in 1926. Schrodinger’s model considers that an electron cannot be localized precisely on an orbit or point due to Heisenberg’s Uncertainty Principle. But only the probability of finding an electron in a certain region can be estimated.

In this model, an electron in an orbital is described by 4 quantum numbers:

  1. Les principal quantum number: n = 1, 2, 3, 4. gives the main or principal energy level. Traditionally those energy levels have been named by letters: K, L, M, N .
  2. Les orbital quantum number, l: with values: (n – 1), (n – 2) . 1, 0. It shows the angular moment of the electron. It gives the shape of the orbital. Traditionally the orbital quantum numbers have been given specific letters to identify them: s(l = 0), p(l = 1), d(l = 2), f(l = 3), etc.
  3. Les magnetic quantum number, (ml): ml = + l, +(l – 1), . 1 , 0, -1, . –(l -1), -l, which governs the energies of electrons in external magnetic fields. It gives the orientation of the orbital.
  4. Les spin of electron: an electron can spin around its axis, clock or anti-clockwise that quantum number, represented by the symbol s, indicates the spinning movement of the electron it can take two values: s = +1/2, -1/2, sometime represented by the signs ↑, ↓.

The first 3 quantum numbers describe an orbital in terms of the principal quantum number, its shape and its orientation.


s, p, and d Orbitals
Source: chemsite.lsrhs.net

VI. Chadwick

In May 1932, James Chadwick announced that the atomic nucleus contains a new uncharged particle, which he named the ‘neutron”. This discovery helped to explain the existence of Isotopes.

This discovery concluded more than 1 1/3 century of research on the composition and the structure of the atom, made of:

  • Nucleus: the center of the atoms where Protons(p) positively charged and Neutrons (n) with no charge are found.
  • Electrons(e), negatively charged that surround and move around the nucleus.
  • In an atom, the number of protons is equal to the number of electrons that is why an atom is neutral.

Representation of an atom:

X = Chemical symbol of the element

UNE = Mass number, equal to number of protons + number of neutrons

Z = Number of protons ou numéro atomique, equal to the number of electrons


Voir la vidéo: Chimie - La découverte de lélectron par. Thomson