Elettrone: scoperta

L ‘elettrone è una particella subatomica con carica negativa. L’elettrone con i protoni e i neutroni è un componente dell’atomo e ne caratterizza la natura

Nel 1858 Geissler saldò in un tubo di vetro nel quale potevano essere introdotti gas diversi a bassa pressione, due lamine di metallo che furono chiamate elettrodi.  Scoprì che collegando i due elettrodi ai poli di un generatore di corrente continua ad elevato potenziale (20000-30000 V) si notava una scarica elettrica nell’interno del tubo di vetro. Esso  assumeva colori diversi in dipendenza della natura del gas in esso contenuto.

I gas, infatti, a pressione normale non sono conduttori di elettricità. Se un gas contenuto in un tubo  si trova a bassa pressione (∼ 50 mm Hg) si lascia attraversare da corrente elettrica e dà luogo a una scintilla (scarica) a zig-zag tra i due elettrodi del tubo.

Se la pressione è ulteriormente abbassata a circa 10 mm Hg il tubo si riempie di una luminosità diffusa. Il colore dipende dalla natura del gas (ad esempio neon, colore rosso, argon colore bianco).

Quando la pressione è ulteriormente abbassata ( ∼ 0.5 mm Hg) la colonna luminosa scompare. Il vetro del tubo situato dalla parte opposta del catodo manifesta fluorescenza verde. Nel 1869 Hittorf suggerì che questa fluorescenza fosse causata da una corrente di raggi emessi dal catodo (raggi catodici). Egli infatti trovò che quando un oggetto solido era posto sul loro cammino sulla parete opposta al catodo era visibile la sua ombra.

Studi di Crookes

Alcuni anni più tardi Sir William Crookes scoprì che i raggi catodici potevano essere deflessi con un magnete e dunque non si trattava di raggi luminosi ma di particelle cariche elettricamente che Crookes chiamò “quarto stato della materia” per sottolineare che si trattava di una realtà completamente nuova. Gli studi sulla natura dei raggi catodici condussero Crookes alle seguenti conclusioni:

1)      Essi sono corpuscoli di materia in quanto capaci di mettere in movimento un mulinetto a palette interposto sul loro cammino

2)      Essi posseggono una notevole velocità, variabile con il potenziale applicato agli elettrodi, in quanto capaci di rendere incandescente un ostacolo metallico fisso, quando questo interrompe la loro traiettoria

3)      La loro traiettoria è interrotta dalla parete del tubo di vetro che si trova di fronte al catodo, e pertanto essi hanno uno scarso potere penetrante

4)      Essi sono corpuscoli di materia carichi di elettricità negativa, in quanto un pennello di raggi catodici è deviato nella sua traiettoria, sia da un campo magnetico applicato dall’esterno per mezzo di un magnete, che da un campo elettrico generato da due piastre metalliche introdotte nel tubo, caricate precedentemente l’una di elettricità positiva, l’altra di elettricità negativa. In quest’ultimo caso il pennello risulta deviato verso la piastra positiva mostrando quindi di essere carico di elettricità negativa

Esperienza di Thomson

Thomson proseguì le esperienze sui raggi catodici sottoponendo in un tubo di Crookes all’azione simultanea di un campo elettrico e di un campo magnetico un pennello di questi raggi. Calcolò  nel 1896 il rapporto tra la carica (e) e la massa (m) di ognuno dei corpuscoli che costituivano detto pennello. Infatti dal valore della deflessione del pennello provocata dall’applicazione di un campo elettrico di intensità nota, egli calcolò che il rapporto carica/massa di ognuno di questi corpuscoli era uguale a:

e/m = 5.273 · 10¹⁷ u.e.s./g  ( unità elettrostatiche/grammo)

Il valore di tale rapporto risultava sorprendentemente costante a prescindere dalla natura del matallo costituente il catodo, o dalla natura del vetro del tubo in esso contenuto. Thomson quindi concluse che tutta la materia nel suo intimo deve essere costituita da particelle elementari cariche di elettricità negativa che chiamò elettroni ( simbolo e^–).

Esperienza di Millikan

Nel 1909 Millikan per mezzo di un dispositivo da lui ideato riuscì a misurare la carica elettrica dell’elettrone. Egli misurò l’intensità del campo elettrico necessaria per impedire la caduta per gravità di goccioline d’olio sulla cui superficie erano  prodotte delle cariche elettriche in seguito ad attrito per nebulizzazione.

Sebbene sulle goccioline d’olio fosse distribuita più di una carica elettrica, Millikan trovò che il valore numerico della carica elettrica totale associata ad ogni gocciolina risultava sempre multiplo intero di quello più piccolo calcolato ovvero Q = n · e

Il valore per la carica elementare determinato in e è pari a  1,6021892 · 10^-19 C

Questo valore è usato come unità fondamentale di elettricità e costituisce la carica elettrica dell’elettrone