De ontdekking van atomen van elektriciteit De geschiedenis van de ontdekking van het elektron gaat terug tot de zoektocht naar de eigenschappen van barnsteen. Verschillende wetenschappers hebben bijgedragen aan het scheppen van een wetenschappelijk klimaat waarin het mogelijk werd om het elektron te ontdekken. Deze wetenschappelijke geschiedenis kan een mooie plek innemen binnen het hedendaags chemieonderwijs. Ze draagt ertoe bij om docenten, leerlingen en studenten aan de hand van een voorbeeld een beter inzicht te geven in hoe wetenschap werkt (NOS, Nature of Science). n Gaston Moens / Vrije Universiteit Brussel, België Tom Mortier / Katholieke Hogeschool Leuven, België Reeds in de oudheid worden er aan barnsteen of gele amber magische krachten toegekend omdat dit na wrijving lichte voorwerpen naar zich toe kan trekken. Plato noemt barnsteen omstreeks 400 voor Christus elektron, wat Grieks is voor ‘het stralende’. Terwijl andere wetenschappen zich sinds de oudheid verder blijven ontwikkelen, blijft het onderzoek naar elektrische verschijnselen stilliggen tot William Gilbert (1544-1603) in de zestiende eeuw het boek De Magnete (1600) Geïnspireerd door het werk van Luigi Galvani (1737-1798) besluit Alessandro Volta (1745-1827) de proeven met de kikkerbillen te hernemen, voornamelijk omdat hij niet gelooft in animale elektriciteit. Via een reeks experimenten en geniale ideeën, besluit hij zilveren en zinken schijven op elkaar te plaatsen en ze te scheiden door een geleider van de tweede soort. Volta heeft de batterij ontdekt! Verder experimenteren leidt tot de moderne elektriciteitsleer waarvan de toepassingen onze samenleving ingrij- In 1894 stelt Stoney dat er een atoom van elektriciteit bestaat die hij een elektron noemt publiceert. De verdienste van dit boek is dat hij een experimentele methode ontwikkelt hoe het onderzoek naar de elektrische verschijnselen kan gebeuren. Tussen 1600 en 1800 worden de elektrische geleiding, de elektrische afstoting, de elektriseermachine en de Leidse les ontdekt. Met beide laatste toestellen is het mogelijk om relatief grote hoeveelheden elektriciteit te produceren en op te slaan. In de achttiende eeuw worden ze door het grote publiek voornamelijk als attractie hoog gewaardeerd. In de tweede helft van de achttiende eeuw worden de eerste wetten van de elektriciteitsleer door Charles-Augustin Coulomb (1736-1806) in een wiskundig formalisme gegoten. De elektrostatica zal snel uitgroeien tot een belangrijke tak binnen de fysica. pend veranderen. In de chemie ontstaat een nieuw onderzoeksdomein, namelijk de elektrochemie. Een belangrijk eerste onderzoek is de studie van de elektrische ontleding van water in waterstofgas en zuurstofgas. Een eerste theoretische verklaring voor de elektrolyse van water wordt gegeven door Theodor Grotthuss (1785-1822) die de voltazuil beschouwt als een elektrische magneet waardoor zuurstof uit het water kan worden onttrokken en, door zich met positieve elektriciteit te verbinden, vrijkomt aan de positieve pool als zuurstofgas. Via een kettingreactie recombineert het achtergebleven waterstof dan met zuurstof tot aan de negatieve pool waar het waterstof dat geen zuurstofpartner meer vindt door verbinding met negatieve elektriciteit kan vrijkomen als waterstofgas. Humphry Davy (1778-1829) toont door een reeks experimenten aan dat chemisch zuiver water door elektriciteit in gasvormige materie wordt omgezet. Hij besluit hieruit dat elektriciteit een essentieel kenmerk is van alle materie en de oorzaak vormt van de chemische afiniteit. Na het lezen van Davy’s experimenten in 1806 kent ook Jöns Jakob Berzelius (1779-1848) elektrische eigenschappen aan de bouwstenen van de stoffen toe. In tegenstelling tot Davy beschouwt Berzelius elektriciteit echter als een vorm van materie zonder massa die op zichzelf kan voorkomen. Gewone materie heeft meer of minder afiniteit voor positieve of negatieve elektriciteit. Zo onderscheidt Berzelius elektropositieve van elektronegatieve substanties waarbij zuurstof het meest elektronegatieve en kalium het meest elektropositieve element is. Tussen 1832 en 1834 voert Michael Faraday (1791-1867) een onderzoek uit naar de invloed van elektriciteit op chemische verbindingen en formuleert hij zijn elektrolysewetten. Hij ontdekt dat er een kwantitatief verband bestaat tussen de hoeveelheid stof die ontleed wordt en de hoeveelheid elektriciteit die er doorheen gaat. Faraday staat dus heel dicht bij de ontdekking van een ‘atoom van elektriciteit’. Het is James Clerk Maxwell (1831-1879) die stelt dat elk ‘kationmolecule’ geladen is met een bepaalde, vaste hoeveelheid positieve elektriciteit en elk molecule van het anion geladen is met een gelijke hoeveelheid negatieve mei 2011 NVOX 223 elektriciteit. Deze constante hoeveelheid elektriciteit of lading noemt hij een molecule of electricity, maar hij gelooft niet dat deze ‘molecules of electricity’ echt bestaan. Ze zijn handig om elektrolyse te verklaren, maar ze zullen verdwijnen als er een betere theorie voor de elektrolyse gevonden wordt. George Johnstone Stoney (1826-1911) stelt in 1894 dat er een elementaire lading (een atoom van elektriciteit) bestaat die hij een elektron noemt. De weg naar de ontdekking van het elektron ligt open. 224 De ontdekking van het elektron In 1814 werkt Joseph Fraunhofer (17871826) aan een methode om het dispersievermogen van glas te meten. Met zonlicht wordt het beeld aan de zijkanten te onscherp om een nauwkeurige meting toe te laten. Kaarslicht levert wel een mooi afgelijnd spectrum op. Fraunhofer merkt op dat tussen het rode en het gele deel van het spectrum zich een smalle en scherp afgetekende oranje-achtige strook bevindt. In het zonnespectrum vindt hij op de plaats ervan een donkere lijn. Hij ontwerpt een toestel zodat hij het spectrum niet meer op een scherm moet projecteren, maar waarmee hij elk deel ervan direct in een telescoopkijker kan opvangen. Hij ziet een ontelbaar aantal donkere lijnen waarvan sommige heel zwak zijn, maar andere zo donker dat ze haast zwart lijken. Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887) en Robert Wilhelm Bunsen (1811-1899) werken verder op de ontdekking van Fraunhofer. Ze tonen aan dat elk element zijn typische en unieke absorptie- en emissiespectrum heeft. Wilhelm Eduard Weber (1804-1891) poneert de hypothese om een atoom voor te stellen als een miniatuurzonnestelsel waarbij e, het positief geladen deeltje, draait rond –e, het negatief geladen deeltje dat in rust blijft. Omstreeks 1878 duikt Ontladingsbuis waarmee J.J. Thomson het elektron heeft ontdekt. NVOX NVOX mei mei 2011 2011 dit idee van Weber opnieuw op in het werk van Hendrik Antoon Lorentz (18531928). In zijn theoretische studie over de dispersie van licht komt hij tot de conclusie dat in een atoom een beweegbaar deeltje voorkomt met lading e en massa u. Pieter Zeeman (1865-1943) neemt in 1896 waar dat het spectrum van de elementen opgesplitst wordt wanneer de dampen aan het veld van een krachtige elektromagneet onderworpen worden. Lorentz verklaart dit effect op grond van geladen massadeeltjes die in een atoom rond een evenwichtstoestand aan het trillen gebracht kunnen worden. Op vrijdag 29 april 1897 houdt Joseph John Thomson (1852-1940) een ophefmakende lezing aan het Royal Institution te Londen over een deeltje dat een bestanddeel van het atoom is en een negatieve lading draagt. Deze ontdekking is een rechtstreeks gevolg van zijn onderzoek naar kathodestralen die vrijkomen aan de kathode (of negatieve pool) in glazen ontladingsbuizen onder zeer lage druk. De oorsprong van deze kathodestralen is zeer controversieel. Thomson is zelf van mening dat deze stralen moeten bestaan uit deeltjes, hoewel vele wetenschappers denken aan een ‘etherische verstoring’. Bovendien heeft Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894) in Duitsland geobserveerd dat de kathodestralen door dunne lagen goud kunnen passeren. Veel wetenschappers vinden het onmogelijk dat deeltjes door vaste stoffen kunnen gaan! Hertz vindt (foutief) dat de kathodestralen niet door elektrische velden worden afgebogen. In 1897 herhaalt Thomson de experimenten van Hertz, maar hij zorgt voor een beter vacuum. Wanneer de kathodestralen nu door een elektrisch veld gaan, neemt hij waar dat er wel een afbuiging plaatsvindt. De kathodestralen bewegen naar de positief geladen plaat zodat de stralen negatief geladen moeten zijn. Verder kunnen ze ook een in de glazen buis opgehangen molentje vooruitduwen. De kathodestralen bestaan dus uit deeltjes met een massa! Thomson bepaalt vervolgens de verhouding tussen de lading en de massa (dit is de speciieke lading) van de deeltjes uit de kathodestralen en hij vindt hiervoor een waarde die 2000 keer groter is dan deze voor het waterstoion dat in 1897 gekend staat als het lichtste deeltje. Hierdoor kan men ook verklaren waarom de kathodestralen door dunne lagen goud kunnen gaan. Voor deeltjes die zo klein zijn, is het logisch dat zij de atomen in een vaste stof kunnen passeren. Thomson herhaalt deze experimenten gebruikmakend van kathoden die bestaan uit verschillende metalen en hij vindt dat de speciieke lading niet verandert. Hij besluit dat deze deeltjes, die hij ‘corpusculen’ noemt, een universele constituent van de materie moeten zijn. Ze maken deel uit van alle atomen in het universum! Thomson heeft het elektron ontdekt, al noemt hij het nog niet zo. De lading van het elektron wordt pas in 1909 bepaald door de Amerikaanse fysici Robert Millikan en Harvey Fletcher. Zij tonen ook aan dat alle elektrische ladingen gehele (positieve of negatieve) veelvouden zijn van deze lading. Deze tekst is een samenvatting van een uitgebreid artikel dat gepubliceerd wordt naar aanleiding van de lezing die Tom Mortier heeft gegeven tijdens de onderwijsdag van de KVCV op 2 april 2011 te Leuven. Literatuur Moens, G. en Mortier, T. “Van Barnsteen tot elektron”, Dag van het chemie-onderwijs: Historiek van de Chemie, cd-rom, KVCV Sectie Onderwijs & Opleidingen en Sectie Historiek, Ontwerp en realisatie: Leo Bergmans, 2011,verkrijgbaar op cdrom of via http://onderwijs-opleiding.kvcv.be/. Websites http://www-outreach.phy.cam.ac.uk/ http://onderwijs-opleiding.kvcv.be/ http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/1902/ http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/ laureates/1906/ 2 Gaston Moens is professor emeritus van de Vrije Universiteit Brussel, lid van de stuurgroep Sectie Onderwijs en Sectie Historiek van de Koninklijke Vlaamse Chemische Vereniging. E-mail: gaston.moens@skynet.be. 2 Tom Mortier is lector chemie aan het Departement Gezondheidszorg en Technologie van de Katholieke Hogeschool Leuven en lid van de stuurgroep Sectie Onderwijs van de Koninklijke Vlaamse Chemische Vereniging. E-mail: tom.mortier@khleuven.be.