Fadenstrahlrohr und spezifische Elektronenladung


Ende des 19. Jahrhunderts war die Natur der Elektrizität noch eine offene Frage. Welche Objekte sind für den Stromfluss verantwortlich? Sind es in allen Stoffen dieselben? Haben sie eine Masse? Die Forscher hofften, u.a. durch die Untersuchung von Gasentladungen diese Frage zu beantworten. Eine Gasentladung ist eine Art "braver Blitz". In heutiger Sprache kann man sie so beschreiben: Eine Glasröhre wird weitgehend luftleer gepumpt. An ihren Enden hat sie Metallelektroden, an die eine hohe Spannung angelegt wird. Die Spannung reicht aus, um aus der negativen Elektrode (Kathode), Elektronen freizusetzen und sie durch die Röhre zur positiven Elektrode (Anode) zu beschleunigen. Auf ihrem Weg stoßen die Elektronen Atome an, die den Weg der Elektronen durch ihr Aufleuchten sichtbar machen. Diese frei gesetzten Elektronen lassen sich durch elektrische und magnetische Felder beeinflussen (ablenken) und aus dem Grad der Ablenkbarkeit lassen sich Schlüsse auf ihre mechanischen und elektrischen Eigenschaften ziehen. Der englische Physiker Joseph John Thomson wies als erster nach, dass bei all diesen Vorgängen ein und dasselbe Teilchen beteiligt ist. Er nannte es Elektron und hatte damit das erste Elementarteilchen entdeckt.
Weil die Physik eine beobachtende Wissenschaft ist, soll an dieser Stelle klar gestellt werden, dass man bei all diesen Versuchen natürlich nie ein Elektron sieht, sondern nur leuchtende Spuren. Die Erklärung durch Elektronen ist eine Deutung, die weitere Bestätigungen braucht, z.B. den Millikanversuch.

Fadenstrahlrohr
Wir können die Ablenkung der Elektronen sehr gut mit dem Fadenstahlrohr zeigen. Mit einer einfachen Anordnung, die der in der Braunschen Röhre ähnelt, wird ein Elektronenstrahl erzeugt, der zunächst senkrecht nach oben verläuft. Durch einen Rest Gas in der Röhre, wird sein Verlauf sichtbar: Die Elektronen übertragen durch Stoß Energie auf die Gasatome, die diese Energie in Form von Licht wieder abgeben. Leider ist es mir nicht gelungen, den leuchtenden Rinmg zu fotografieren. Ihr müsst also doch in den Unterricht kommen.
Die gesamte Anordnung befindet sich zwischen zwei großen Magnetspulen. Ihr Abstand entspricht genau dem Spulenradius. Eine solche Anordnung (Helmholtzspulen) erzeugt in der Mittelebene der beiden Spulen en homogenes, horizontales Magnetfeld. Lässt man Strom durch die Helmholtzspulen fließen, krümmt sich der Strahl aufgrund der Lorentzkraft. Ab einer bestimmten Stromstärke schließt er sich zu einem Kreis. Das dann herrschende Magnetfeld kann man entweder mit einer Hallsonde messen oder mit einer speziellen Formel berechnen. Aus den bekannten Formeln für die Zentripetalkraft (FZ=m⋅v2/r) und für die Lorentzkraft (FL=e⋅v⋅B) und mit dem Energieerhaltungssatz bei der Erzeugung des Elektronenstrahls (e⋅UB=1/2⋅m⋅v2) kann man eine typische Größe der Elektronen ermitteln, ihre spezifische Ladung (e/me). Sie ergibt sich aus den Versuchsparamtern zu e/me=2⋅UB/(r2⋅B2). Der Zusatz "spezifisch" kann hier auf zwei Arten gelesen werden: als "bezogen auf die Masse" oder als "typisch für das Elektron". Beides ist richtig.
Der sehr große Zahlenwert e/me=1,7597⋅1011C/kg drückt aus, dass Elektronen sich sehr leicht durch elektrische und magnetische Felder ablenken lassen. Für Atom- und Kernphysiker ist die Untersuchung der Ablenkung in verschiedenen Feldern nach wie vor ein wichtiges Hilfsmittel zur Untersuchung von Teilchen.
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