Otkriće elektrona nije počelo pogledom kroz mikroskop. Nije postojao ni jedan pokus nakon kojega je svima odmah bilo jasno što se dogodilo. Fizičari su krajem 19. stoljeća promatrali zelenkasto svjetlo u gotovo praznim staklenim cijevima i prepirali se oko njegova uzroka. J. J. Thomson je 1897. tu raspravu pretvorio u problem koji se mogao mjeriti. Rezultati su pokazali da katodne zrake prenose negativan naboj i da ih čine dijelovi manji od atoma. Pojam nedjeljivog atoma time je izgubio svoje doslovno značenje.
Katodna cijev zadala je fizičarima ozbiljan problem
U staklenoj cijevi iz koje je uklonjen gotovo sav zrak nalazile su se dvije elektrode. Kada bi se na njih doveo visoki napon, od negativne elektrode, katode, prema suprotnom kraju cijevi širio se nevidljiv snop. Vidljiv je postajao ondje gdje bi izazvao fluorescenciju stakla. Dobio je naziv katodne zrake.
Nitko nije znao što su te zrake. Jedni fizičari tumačili su ih kao valove, drugi kao sićušne čestice materije. Snop se skretao u magnetskom polju, no pokusi s električnim poljem često nisu davali očekivani učinak. Rasprava je zapela jer su neujednačeni rezultati dopuštali više tumačenja.
U fizici dobar argument mora završiti mjerenjem. Teorija može biti elegantna, ali mora objasniti ono što instrument registrira. Sličan odnos između predviđanja i provjere vidi se u priči o tome kako je Albert Einstein dokazao zakrivljenost svjetlosti.
Thomson je iz skretanja snopa izvukao dokaz
Joseph John Thomson vodio je Cavendishov laboratorij u Cambridgeu. Umjesto jednoga velikog pokusa složio je nekoliko manjih provjera. Najprije je magnetskim poljem usmjerio katodne zrake prema metalnom spremniku spojenom na elektrometar. Instrument je zabilježio negativan naboj. Kada je skrenuo snop, skrenuo je i naboj. Nije se radilo o slučajnom električnom učinku negdje u cijevi.
Zatim je poboljšao vakuum. U dovoljno dobro ispražnjenoj cijevi snop se skretao pod djelovanjem električnog polja, što ranijim istraživačima često nije uspijevalo. Razlog njihova neuspjeha skrivao se u preostalom plinu. On bi postao vodljiv i umanjio djelovanje polja na snop.
Treći pokus dao je broj s kojim se moglo uspoređivati. Thomson je promatrao skretanje u električnom i magnetskom polju te izračunao omjer naboja i mase čestica. Nije zasebno izmjerio ni masu ni naboj. Ipak, dobiveni omjer bio je mnogo veći nego kod iona vodika. Nositelji katodnih zraka morali su biti mnogo lakši od najlakšeg atoma. Rezultat se nije mijenjao kada je promijenio plin u cijevi ili materijal elektroda. Čestice su, prema svemu sudeći, bile sastavni dio različitih vrsta tvari.
Zašto otkriće elektrona još nije značilo i točan atom
Thomson je čestice zvao korpuskulama. Riječ elektron već je 1891. predložio irski fizičar George Johnstone Stoney, tada kao naziv za osnovnu jedinicu električnog naboja. Tek se poslije Thomsonovih pokusa taj termin počeo čvrsto vezati uz fizičku česticu. Thomson je za istraživanja provođenja elektriciteta kroz plinove dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1906., devet godina nakon pokusa s katodnim zrakama.
Pojavio se novi problem. Ako neutralan atom sadrži negativne elektrone, mora sadržavati i pozitivan naboj. Thomson ga je zamislio kao raspršenu pozitivno nabijenu tvar u kojoj se nalaze elektroni. Rutherfordovi pokusi raspršenja kasnije su pokazali da takva slika ne vrijedi. Pozitivan naboj koncentriran je u malenoj atomskoj jezgri.
Taj pogrešan model ne briše rezultat iz 1897. Thomson je pokazao da atom ima dijelove i time otvorio pitanje njihova rasporeda. Današnje objašnjenje Higgsova bozona i svijeta elementarnih čestica opisuje mnogo složeniju sliku, ali prva velika pukotina u ideji nedjeljivog atoma nastala je u katodnoj cijevi.
Millikan je odredio naboj, a kvantna fizika promijenila opis
Thomson je dobio omjer naboja i mase. Za njihove zasebne vrijednosti trebalo je još mjerenja. Robert Millikan je 1910. promatrao sitne nabijene kapljice ulja između dviju metalnih ploča. Promjenom električnog polja mogao je usporiti, zaustaviti ili podići pojedinu kapljicu. Naboji koje je izračunao pojavljivali su se kao cjelobrojni višekratnici jedne vrijednosti. Danas je iznos elementarnog naboja u SI sustavu točno definiran kao 1,602 176 634 × 10^-19 kulona.
Elektron je ubrzo priredio još jedno iznenađenje. U pokusima difrakcije stvarao je uzorke kakve povezujemo s valovima. To nije poništilo Thomsonov zaključak. Pokazalo je da svakodnevna podjela na česticu i val ne opisuje dovoljno dobro svijet vrlo malih razmjera. Dobar uvod u tu neobičnu fiziku daje tekst o tome kako kvantna teorija opisuje čestice.
Elektron je iz laboratorijske cijevi ušao u uređaje
Razumijevanje ponašanja elektrona omogućilo je kontrolu struje u vakuumskim cijevima, a poslije i u poluvodičima te tranzistorima. Računala, senzori, LED izvori svjetlosti i komunikacijska oprema oslanjaju se na elektrone u materijalima. Ipak, ne postoji ravna linija od Thomsonova stola do suvremenog procesora. Između njih su desetljeća fizike čvrstog stanja, razvoja materijala i inženjerskog rada.
Elektroni su prisutni i u plazmi, gdje više nisu vezani uz pojedine atomske jezgre. Zato se pojavljuju u fizici koja stoji iza pitanja može li fuzijska energija postati praktičan izvor. Za praćenje takvih procesa korisno je razumjeti kako energija prelazi iz jednog oblika u drugi.
Thomson se oslonio na rad prethodnika, pronašao slabe točke njihovih pokusa i promatrao kako snop odgovara na poznate sile. Iz skretanja je zaključio da se iza svjetlucanja krije čestica. To je trezvenija priča od mita o usamljenom geniju, ali i zanimljivija. Pokazuje koliko daleko fizika može stići kada dobro pitanje dobije instrument sposoban izmjeriti odgovor.
