De ontdekking van het elektron

Carlo Beenakker, Instituut-Lorentz, Universiteit Leiden

bijdrage voor de Amsterdamse Boekengids, december 1998



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.

Gebrandschilderde ramen uit 1922 in het Kamerlingh Onnes Laboratorium te Leiden, uitbeeldend de ontdekking van het elektron in 1896 door Zeeman en Lorentz. De schilder was Harm Kamerlingh Onnes, een neef van de fysicus.

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.