Elektron Nasıl Keşfedildi?

Elektron, e− veya β− sembollü negatif temel elektrik yükü olan atom altı bir parçacıktır. Elektronlar temel Lepton parçacık ailesinin ilk jenerasyonuna aittir ve genellikle temel parçacıklar olarak düşünülürler. Çünkü bileşenleri veya alt-yapıları yoktur. Proton’un yaklaşık olarak 1/1836’sı kadar kütlesi vardır. Elektronun kuantum mekaniği özelliklerinde fermiyon anlamına gelen ħ ünitesinde yarım tam sayı değerinde içsel bir açısal momentum vardır. Pauli’nin dışlama prensibine uygun olarak, fermiyon olduğu için iki elektron aynı kuantum durumunda bulunamaz. Bütün parçacıklar gibi, elektron da hem parçacık hem de dalga olma özelliği vardır ve böylelikle diğer parçacıklarla çarpışabilir ve ışık gibi kırılabilir. Elektronun dalga olarak özelliklerini gözlemlemek nötron ve proton gibi parçacıkların bu özelliğini gözlemlemekten daha kolaydır çünkü kütlesi azdır ve böylelikle tipik enerjiler için De Broglie dalga boyu daha yüksektir.

Alman fizikçi Johann Wilhelm Hittorf seyreltilmiş gazlarda elektriksel iletkenlik üzerine çalıştı: 1869’da, gaz basıncındaki azalmayla boyu olarak büyüyen katottan çıkan bir ışıldama fark etti. 1876’da Alman fizikçi Eugen Goldstein bu ışıldamadaki ışınların gölge oluşturduğunu gösterdi ve bu ışınlara katot ışını unvanını verdi. 1870’ler boyunca, İngilizce kimyacı ve fizikçi Sir William Crookes içerisine vakumlamak için ilk katot tüpünü geliştirdi. Sonra, bu tüpten çıkan ışıldanımdaki ışınların enerji taşıdığını ve katottan anoda doğru hareket ettiğini gösterdi. Dahası, bir manyetik alan uygulayarak, ışınları saptırmayı başardı, böylece bu demetin negatif yükle yüklenmiş gibi hareket ettiğini göstermiş oldu. 1879’da, radyant madde olarak tanımladığı şeyle bu özelliklerin açıklanabileceğini söyledi. Maddenin 4 durumu olduğunu-negatif yükle yüklenmiş olan yüksek hızla katottan tasarlanmış moleküller dâhil- olduğunu söyledi.

Almanya doğumlu İngiliz fizikçi Arthut Schuster katot ışınlarına paralel iki metal levha yerleştirerek levhalar aranda bir elektriksel potansiyel uygulayarak Crookes’in deneyini geliştirdi. Alan ışınları pozitif yükle yüklenmiş levhaya doğru ışınları saptırdı ki bu ışınların negatif enerji taşıdığın kanıtı oldu. Akımın verilen seviyesi için sapma miktarını ölçerek 1890’da Schuster ışın bileşenlerinin yük-kütle oranını tahmin etmeyi başardı. Ama bu üretilen değer beklenenin bin katından fazlaydı, bu yüzden onun hesaplamasına pek itimat edilmedi.

1892’de Hendrik Lorentz bu parçacıkların (elektronların) kütlesinin onların elektriksel yükünün bir sonucu olabileceğini önerdi.

1896’da İngilizce fizikçi J.J. Thomson iş arkadaşları John.S. Townsen ve H.A. Wilson ile öncesinde inanıldığından ziyade katot ışınlarının dalga, atom veya molekülden özgün olduğunu belirten bir deney yaptılar. Thomson katot ışın parçacıklarının bilinen en hafif iyon olan hidrojeninkinin binde biri olan kütlesinin ve yükünün düzgün bir tahminini yaptı. Yükünün kütlesine oranının (e/m) katot materyalinden bağımsız olduğunu gösterdi. Devamında, radyoaktif materyaller, sıcak materyaller ve aydınlatılmış materyaller tarafından üretilen negatif yüklü parçacıklar evrenseldi. Elektron ismi tekrar İrlandalı fizikçi George F. Fitzgerald tarafından bu parçacıklar için önerildi ve evresel olarak kabul edildi.

1896’da Fransız fizikçi Henri Becquerel, flüoresan minerallere çalışırken, onların hiçbir dışsal enerji kaynağına maruz kalmadan radyasyon yaydığını keşfetti. Bu radyoaktif materyaller onların parçacık yaydığını keşfeden Yeni Zelandalı bilim adamı Ernest Rutherford dâhil olmak üzere birçok bilim adamının ilgisini çekti. Bunları maddeye nüfus etme özelliklerine göre alfa ve beta olarak belirledi.1900’de Becquerel radyum tarafından yayılan beta ışınlarının elektriksel alanı saptırabileceğini ve kütle-yük oranının katot ışınlarındakinin aynısı olduğunu gösterdi. Bu kanıt elektronların atomların bileşenleri olduğu fikrini güçlendirdi.

Sonuçları 1911’de yayımlanan, ABD’li fizikçiler Rober Milikan ve Harvey Fletcher tarafından yapılan yağ damlası deneyince elektronların yükleri daha dikkatlice ölçüldü. Bu deneyde yüklü yağ damlacığının yerçekimi yüzünden düşmesini enlemek için elektriksel alan kullandı. Bu araçla %0,3’ten az bir hata payıyla, 1-150 kadar az iyonun elektriksel yükü ölçülebilir. Benzer deneyler de elektroliz tarafından yönetilen yüklü su damlacıkları bulutları kullanarak Thomson’ın ekibi tarafından daha önce yapılmıştı ve 1911’de Abram Ioffe tarafından metallerin yüklü mikro-parçacıklarını kullanan Milikan ile aynı sonuca bağımsız olarak ulaştı ve sonuçları 1913’te yayımladı. Ama yavaş buharlaşma oranı yüzünden, yağ damlacıkları su damlacıklarından daha kararlıdır ve bu yüzden duyarlı deneyler için uzun yıllardan beri daha uygundur.

Yirminci yüzyılın başlarında belli koşullar altında hızlı hareket eden yüklü parçacığın yolu boyunca aşırı doymuş su buharı yoğunluğuna neden olduğunu bulundu. 1911’de Charles Wilson bu prensibi bulut odacığını tasarlamak için kullandı ve böylelikle hızlı hareket eden elektronlar gibi, yüklü parçacıkların parçaları fotoğrafladı.