Dietsche Warande en Belfort. Jaargang 1910

[p. 455]

De electronenleer

Men verwachte hier geen geleerd vertoog, met een weinig aanmoedigenden aanhang van nauwkeurige berekeningen en haarfijne proefnemingen op het gebied der electriciteit en radioactiviteit. Ik wil enkel, zoo eenvoudig mogelijk, eenige woorden zeggen over die twee belangrijke natuurverschijnselen, om in zijn groote lijnen en algemeene trekken het stelsel uiteen te zetten, aan wiens opbouw de natuurkundigen der laatste jaren ijverig werkten, met name de Electronenleer of Electroniek. Pas sedert een tiental jaren is men begonnen, die nieuwe opvattingen stelselmatig en proefondervindelijk uit te werken, en reeds vormen de verkregen uitslagen een indrukwekkend geheel, dat van de grootste beteekenis is voor sommige leerstukken der wijsgeerige natuurleer.

Die uitslagen kort en bondig te doen kennen, met de waargenomen feiten waarop zij steunen - ter opheldering eenige verschijnselen aan te halen uit het gebied der electriciteitsleer, waarop de nieuwe opvattingen met vrucht werden toegepast - en daarna met eenige woorden de verdere ontwikkelingen uiteen te zetten, waartoe de electroniek heeft aanleiding gegeven, maar die tot nog toe enkel op gissingen of althans op onbewezen onderstellingen berusten, dat is mijn doel in deze korte verhandeling. De aangegeven indeeling schijnt me de meest geschikte om de stof bevattelijk voor te stellen, en levert tevens het voordeel op, klaar te onderscheiden tusschen hetgeen als wetenschappelijke onderstelling, of enkel als voorloopige opvatting dient beschouwd.

_* * _*

Meer dan eens heeft men beweerd dat de studiën over radioactiviteit en de daaraan verbonden electronenleer, de grondstelling der atoomtheorie, namelijk, de ondeelbaarheid van het atoom, heeft weerlegd. Die bewering is ongegrond. Wel hebben de ontdekkingen op dit gebied bewezen dat de atomen zelve uit onderscheiden deelen bestaan, dat

[p. 456]

ze bijgevolg nog deelbaar zijn; maar de scheikundigen hebben in het opstellen hunner atoomtheorie enkel willen zeggen dat zij met hunne middelen, met hunne scheikundige verbindingen en ontledingen er niet toe kwamen de stof verder dan tot het atoom te verdeelen. Die zienswijze behoudt gansch hare kracht, zelfs nadat men kleinere stofdeeltjes heeft aangetroffen. Zij is en blijft een quasi-noodzakelijke gevolgtrekking uit de wetten die de scheikundige verbindingen regelen. Wat meer is, de gansche electronenleer berust op atomistische grondbeginselen, zij bestaat in een atomistische opvatting van de electriciteit; en daarom vind ik het geraadzaam de atoomtheorie hier kort uiteen te zetten, voor die lezers welke daarvan geen klaar begrip zouden hebben.

Grondslag dier theorie zijn de volgende wetten die voor de chemische verbinding werden vastgesteld:

1. De wet van Lavoisier: Het gewicht van een verbinding is gelijk aan de som der gewichten van de stoffen die ze samenstellen.

2. De wet van de bepaalde gewichtsverhoudingen: Er bestaat een vaste verhouding tusschen de gewichten der elementen die een scheikundige verbinding vormen. Zoo b.v. zijn er om water te vormen, 8 gewichten zuurstof, tegen 1 gewicht waterstof noodig. - Deze wet stelde Proust vast in 1806.

3. De wet van Dalton (1807): Indien twee grondstoffen verschillende verbindingen vormen, volgens meer dan ééne gewichtsverhouding, dan komt hetzelfde gewicht van de eene in verbinding met verschillende hoeveelheden van de andere, die alle meervouden zijn van de kleinste hoeveelheid dezer tweede grondstof.

Zoo b.v. kunnen tusschen stik- en zuurstof de volgende verbindingen bestaan:

28 gr. stikstof met 16 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof met 16 × 2 = 32 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof met 16 × 3 = 48 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof met 16 × 4 = 64 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof met 16 × 5 = 80 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof met 16 × 6 = 96 gr. zuurstof.

Nooit echter zal men b.v. hebben: 28 gr. stikstof met 17 gr. zuurstof.

[p. 457]

4. De wet van de evenredige getallen: De gewichten van twee of meer grondstoffen die zich onderscheidenlijk verbinden met een bepaald gewicht van gelijk welke grondstof, zijn dezelfde als de gewichten dier stoffen in hunne onderlinge verbindingen, ofwel geheele veelvouden van deze gewichten. Zoo b.v. vormen 12 gr. koolstof en 16 gr. zuurstof het kooloxyde; 2 gr. waterstof met 16 gr. zuurstof vormen water. Volgens de wet van de evenredige getallen nu moeten in een verbinding van waterstof met koolstof de gewichten dezer beide elementen in dezelfde verhouding staan als 2 tot 12 of als veelvouden dezer twee getallen onderling. Er bestaat werkelijk een verbinding (C H₄ = moerasgas) waarin op 12 gr. koolstof, 2 × 2 = 4 gr. waterstof voorkomen. Maar nooit zal men b.v. 12 gr. koolstof met 3 gr. waterstof scheikundig kunnen verbinden.

5. De wet van Gay-Lussac. Wanneer de verbonden stoffen in gasvormigen toestand verkeeren, is de verhouding van hun onderscheidenlijken omvang altijd zeer eenvoudig, evenals de verhouding tusschen den omvang der verbinding en dien der grondstoffen - vooropgesteld natuurlijk dat drukking en temperatuur dezelfde blijven. Zoo geeft 1 liter chloor met 1 liter waterstof 2 liters chloorzuur; 2 liters waterstof met 1 liter zuurstof geven 2 liters waterdamp.

Deze 5 wetten hebben geleid tot de volgende theorie:

In de scheikundige verbindingen worden de elementen altijd verdeeld in bepaalde kleine deeltjes, atomen genaamd, die door scheikundige middelen niet verder kunnen ontbonden.

Ieder atoom heeft een bepaald gewicht en bepaalde eigenschappen. In een scheikundige verbinding vormen een of meer atomen der verschillende grondstoffen hetgeen men noemt de molecule⁽¹⁾ van het samengesteld lichaam. Ook de molecule van een grondstof kan uit meer dan 1 atoom bestaan. Dit kunnen wij uit de wet van Gay-Lussac afleiden. Van den éénen kant immers zegt ons de wet van Avogadro

(1) Een molecule is het kleinste deeltje van een enkelvoudige of samengestelde stof, dat kan bestaan zonder de natuur van die stof te verliezen Zoo bestaat een chloorzuur-molecule uit een waterstofatoom en een chlooratoom. Maar buiten die verbinding kan het waterstofatoom niet alleen bestaan, en vormt immer met een tweede atoom de waterstofmolecule.

[p. 458]

dat in gelijke omvangen van ieder gas onder gelijke drukking- en temperatuurvoorwaarden, een gelijk getal moleculen aanwezig is. Nu hebben we gezien dat 1 liter chloor met 1 liter waterstof 2 liters chloorzuur geeft. Volgens de wet van Avogadro zijn er dus tweemaal zooveel chloorzuurmoleculen als chloor- of waterstofmoleculen. Bijgevolg bevat ieder chloorzuur-molecule de helft van een chloormolecule en de helft van een waterstof-molecule. Met andere woorden, deze twee grondstoffen hebben ten minste twee-atomische moleculen.

Verder is het niet moeilijk in te zien dat de andere wetten de atomische opvatting der stof om zoo te zeggen noodzakelijk maken. Nemen wij b.v. het waterstof-atoom als eenheid. Een zuurstofatoom weegt dan 16 maal⁽¹⁾ meer. Daar nu die twee atomen niet verder deelbaar zijn, is het klaarblijkend dat 1, 2, 3... gr. waterstof, theoretisch gesproken zich kunnen verbinden met 16 gr. of met 16 × 2, 16 × 3 gr. enz... zuurstof. Maar onmogelijk kan 1 gr. waterstof zich verbinden met 17 gr. zuurstof b.v., want dan zou ieder waterstof-atoom moeten gebonden zijn aan 1 + 1/16 zuurstof-atoom, vermits dit laatste 16 maal meer weegt dan het eerste; 1/16 zuurstof-atoom is echter

(1) Feitelijk hebben de scheikundigen het waterstof-atoom als eenheid gekozen. Het betrekkelijk gewicht der andere atomen werd dan bepaald naar de kleinste verbindingsgewichten der verschillende stoffen met de waterstof, of een ander stof waarvan men reeds het betrekkelijk atoomgewicht kent. Zoo b.v. vormen stik- en zuurstof de volgende verbindingen:

28 gr. stikstof + 16 gr. zuurstof.

14 gr. stikstof + 16 gr. zuurstof.

14 gr. stikstof + 32 gr. zuurstof.

28 gr. stikstof + 60 gr. zuurstof.

Van een anderen kant heeft men voor zuurstof vastgesteld dat ze 16 maal grooter atoomgewicht heeft dan de waterstof. Nu het kleinste gewicht stikstof dat zich met 16 gr. zuurstof of een veelvoud daarvan verbindt is volgens de opgegeven tafel 14 gr. Men mag dus zeggen dat het stikstof-atoom 14 maal meer weegt dan het waterstof-atoom, met andere woorden, dat 14 het atoomgewicht is van de waterstof. Over andere methoden om dit atoomgewicht te bepalen kunnen we hier niet spreken. De letters die de grondstoffen voorstellen, beteekenen het atoom van iedere grondstof. H = één atoom waterstof; H₂ = 2 atomen waterstof = 1 molecule waterstof; H₂O = 1 molecule water = 2 atomen waterstof + 1 atoom zuurstof (O).
Verder is het atoomgewicht van H = 1, dat van O is 16. Dus is het moleculair gewicht van water (H₂O), 18.

[p. 459]

in deze theorie een onzin want scheikundig is het atoom niet verder deelbaar. De wet van Dalton maakt dus de atoomtheorie om zoo te zeggen noodzakelijk. Hetzelfde atoombegrip passe de lezer toe op de overige wetten, bijzonderlijk op de 4^e, en hij zal bevinden dat het bestaan van het scheikundig atoom, van een ondeelbaar stofdeeltje met voor ieder element bepaald gewicht, als een voldongen feit kan worden beschouwd.⁽¹⁾

Deze uitweiding over de atoomtheorie heb ik noodzakelijk geacht, om eenige begrippen klaar te maken die in den loop der verhandeling voorkomen en tevens om den lezer toe te laten, atomen en moleculen te vergelijken met de ionen en electronen waarvan voortaan zal sprake zijn.

_* * _*

De nieuwe electriciteitsleer is nauw met de scheikundige atoomtheorie verwant. De electronen zou men kunnen bepalen als electriciteitsatomen. Een eerste stap naar deze nieuwe opvatting was de studie der ontleding van vloeistoffen door den galvanischen stroom, ontleding die bekend staat onder den naam van electrolyse. Twee wetten van het grootste belang stelde Faraday in 1833 hieromtrent vast. Die twee wetten, die als uitgangspunt en grondslag dienden van alle verdere navorschingen, kunnen als volgt worden uitgedrukt:

I^e wet. De hoeveelheid der ontledingsprodukten staat altijd in evenredige verhouding tot de hoeveeldeid electriciteit die door de te ontleden vloeistof heenging.

Deze eerste wet openbaart ons reeds een merkwaardig verband tusschen de weegbare stof en de electriciteit. Dieper nog wordt dit verband door de tweede wet aangetoond:

(1) Men kan, voor het gemak der inbeelding, de atomen der verschillende stoffen vergelijken met ondeelbare marmeren bollen. Nemen wij b.v. een aantal zulke bollen, een aantal andere die ieder vijf maal zwaarder zijn dan de eerste, en nog een derde soort, die 6 maal zwaarder zijn. Als men nu een aantal van die bollen samenbrengt, zal de gewichtsverhouding der verschillende soorten geene andere kunnen zijn dan de verhouding die bestaat tusschen 1, 5 en 6 of hunne veelvouden. Maar kon men de bollen naar believen verdeelen, dan ware zulke regelmatige verhouding niet meer noodzakelijk.

[p. 460]

2^e wet. Gelijke hoeveelheden electriciteit scheiden in alle electrisch ontlede vloeistoffen scheikundig evenwaardige hoeveelheden ionen af.

Een korte verklaring zal hier niet van onpas komen. Wat verstaat men vooreerst door ‘evenwaardig’ in scheikundigen zin? Een voorbeeld zal alles klaar maken. Nemen wij het ijzerchloruur (Fe Cl₃): iedere molecule daarvan bevat één atoom ijzer en drie atomen chloor. Het ijzer heeft bijgevolg drie maal meer bindingskracht dan het chloor, met andere woorden, het is driewaardig⁽¹⁾. Van den anderen kant is het verbindings- of atoomgewicht van 't ijzer 56, dat van 't chloor 35,5. Bijgevolg hebben 56/3 gr. ijzer zooveel bindingskracht als 35,5 gr. chloor; 56/3 en 35,5 heet men onderscheidenlijk de scheikundig-evenwaardige gewichten of equivalenten van 't ijzer en 't chloor. Dat equivalent is dus voor een gegeven stof gelijk aan haar atoomgewicht, gedeeld door het getal harer verbindingswaarden. Aangenomen dus, dat het scheikundig equivalent van 't ijzer 56/3 is, dat van 't chloor 35,5, beteekent de tweede wet, dat een hoeveelheid electriciteit die 56/3 gr. ijzer vrijmaakt, terzelfdertijd 35,5 gr. chloor afscheidt. Volgens de nauwkeurige metingen van Kohlrausch en Lord Rayleigh voert één gram waterstof, wier atoomgewicht als eenheid geldt, 9654 electromagnetische eenheden of 10 maal zooveel coulombs met zich; en vermits chloor en waterstof dezelfde verbindingswaarde bezitten, beantwoorden aan dezelfde hoeveelheid electriciteit 35,5 gr. chloor en 56/3 gr. ijzer in de electrolyse van het ijzerchloruur.

Een woordje opheldering vraagt ook nog de uitdrukking ‘ionen’ die in de tweede wet voorkomt. In de oplossing van ijzerchloruur heeft men positieve ionen of kationen, bestaande uit ijzeratomen met een positieve lading electriciteit en die bijgevolg door de kathode of het negatief draadeinde worden aangetrokken, van den anderen kant heeft men anionen of negatieve chlooratomen. Hem,

(1) Eén chlooratoom verbindt zich met één waterstofatoom; daarom is het éénwaardig. Het ijzer is ten opzichte van het chloor driewaardig. dus ook ten opzichte van de waterstof. Bijgevolg, vermits het waterstofatoom dient als vergelijkingspunt, mag men zeggen zonder meer, dat ijzer driewaardig is.

[p. 461]

die nu klaar ziet in deze tweede wet, kan het niet ontgaan dat er een innig verband bestaat tusschen atomen en electriciteit. En evenals de onveranderlijkheid der scheikundige verbindingsgewichten heeft geleid tot het aannemen der scheikundige atomen; met evenveel noodzakelijkheid voert ons de tweede wet van Faraday tot het aannemen van eclectrische atomen, 't is te zeggen, van een gegeven ‘deeltje’ electriciteit, dat niet verder kan worden verdeeld. Anders toch ware het volslagen onmogelijk uit te leggen, waarom de hoeveelheid electriciteit zoo regelmatig volgens de verbindingswaarden der atomen is verdeeld, waarom een twee of driewaardig atoom juist twee of driemaal meer electriciteit draagt dan een éénwaardig. Die gevolgtrekking had reeds Helmholtz in 1881 klaar ingezien, en aldus een opvatting der electriciteit geschetst, die latere proefnemingen zouden staven en vervolledigen.

Men is er verder in gelukt de waarde van het electriciteitsatoom te bepalen. Van den eenen kant immers wist men dat 1 gr. waterstof 96540 coulombs electriciteit verplaatst; van den anderen kant kon men door middel der kinetische gasleer het getal atomen eener gegeven gashoeveelheid bepalen, en bijgevolg was het voldoende een eenvoudige deeling uit te werken om de waarde van het electriciteitsatoom vast te stellen.⁽¹⁾ Het electriciteitsatoom (electroon) dat door de letter e wordt voorgesteld, is diensvolgens de natuurlijke eenheid voor de electriciteitshoeveelheid; de gebruikelijke electromagnetische of electrostatische eenheden zijn willekeurig gekozen, even als de eenheden van het metriek stelsel waarvan ze zijn afgeleid.

Juist dezelfde uitslagen heeft de studie eener geheel andere soort van electrische verschijnselen opgeleverd. Onder den invloed van verschillende oorzaken wordt de lucht (of een ander gas) geïoniseerd. Geïoniseerde lucht dient niet verward met geëlectriseerde lucht. In de eerste zijn een gelijk getal positieve en negatieve ionen aanwezig, terwijl electriciteits-zwangere lucht nu de eene, dan de

(1) Het grondquantum der electriciteit ϵ, is gelijk bevonden aan 3.4 × 10^-10 electrostatische eenheden. Natuurlijk verschillen de getallen min of meer volgens de vorschers. Planck in 1901 vond ϵ = 15,63 × 10^-20 coulombs.

[p. 462]

andere soort in overwegend getal bevat. Geïoniseerde lucht is een goed geleider voor de electriciteit en ontlaadt positief of negatief geladen electroscopen. Maar zij kan niet, zooals geëlectriseerde lucht, een electroscoop positief of negatief laden. Die luchttoestand komt voor in de nabijheid van een vlam of van gloeiend metaal; andere oorzaken, zooals Röntgenstralen of ultraviolet licht, bijzonderlijk van booglampen, hebben hetzelfde uitwerksel. Hoe nu dit verschijnsel dient opgevat, daaromtrent bestaat vooralsnog verschil van meening, maar voor de vraag die ons bezighoudt is dit van weinig belang. Alleen de grootte der electrische lading van ieder ioon zoeken wij te bepalen. Vooral de Engelsche natuurkundige Thomson (Cambridge) door allerbelangrijkste proefnemingen is er in gelukt die grootte vast te stellen. Von Helmholtz en Richarz, later Barus, Wilson en anderen hebben proefondervindelijk bewezen, dat, zoolang de afkoeling van met waterdamp gevulde lucht een zekere grens niet overschrijdt, een nevelvorming alleen dan kan plaats grijpen, wanneer zoogezegde verdichtingskernen aanwezig zijn. Als dusdanige verdichtingskernen kunnen, onder meer, rook- en stofdeeltjes dienst doen. Nu heeft Thomson gevonden, dat eveneens de negatieve en positieve ionen die verdichting kunnen bewerken, en wel zoodanig, dat om de negatieve ionen de nevelvorming plaats grijpt bij geringer afkoeling dan om de positieve. Het was dus mogelijk de afkoeling dermate te regelen, dat enkel om de negatieve ionen de nevelvorming plaats greep; de neervallende waterdruppels deelen dan aan een afgezonderde plaat hun negatieve electriciteit mede, en aldus is 't niet moeilijk hun gezamenlijke lading te berekenen. Daar nu ieder waterdruppel een ioon bevat, is het getal ionen gelijk aan 't getal waterdruppels. Dit getal heeft men als volgt berekend: men meet de doorsnede van iederen druppel door middel van den kleinkijker of microscoop, ofwel, en dezen weg heeft Thomson ingeslagen, berekent men die doorsnede naar de snelheid waarmeê de nevel nedervalt. Stokes heeft een formuul vastgesteld die zulke berekening mogelijk maakt. Deelt men nu de electriciteitsmassa door het getal ionen, dan bekomt men natuurlijk de lading van één ioon. Thomson's proefnemingen

[p. 463]

hebben geleid tot den belangwekkenden uitslag, dat ieder negatief ioon een lading draagt die gelijk is aan de lading der éénwaardige atomen in de electrolyse, met andere woorden, men heeft in de geïoniseerde lucht het grondquantum der electriciteit weergevonden.

De atomistische opvatting der electriciteit vindt hier dus een nieuwe bekrachtiging.

_* * _*

Tot hiertoe hebben wij de electriciteit beschouwd in die verschijnselen waarin ze, onder den vorm van ionen, voorkwam in een verbinding van een stofatoom met iets dat we electriciteitsatoom zouden kunnen noemen, en dat bekend staat onder den naam van electroon. Veel echter weten wij tot hiertoe nog niet van dat grondquantum der electriciteit; en hebben wij het voorloopig een ‘atoom’ genoemd, toch is 't ons nog niet klaar geworden wat eigenlijk dat atoom op zich zelf is, of het een zelfstandig wezen heeft of niet. Die twijfels werden - gedeeltelijk ten minste - opgelost door een diepere studie der kathodestralen, en vollediger nog door het ontdekken der β-stralen in de radioactieve stoffen. Die geleidelijke ontwikkeling van het electronenbegrip moeten we nu in 't kort uiteenzetten. Wanneer men de twee uiteinden eener Geiszlersche buis, waarin de lucht of een gas in uiterst verdunden toestand aanwezig is, in verbinding brengt met de beide polen van een Ruhmkorfschen inductor, dan vloeien uit de kathode of negatief draadeinde, stralen, die zich in rechte lijn voortplanten, zonder door de anode te worden beïnvloed. Die stralenstroom is waarneembaar door de geelgroene fluorescentielichtvlek die hij op den glaswand veroorzaakt. Deze stralen, kathodestralen genoemd, werden in 1869 door Hithorf ondekt; maar eerst in de laatste jaren werden ze nauwkeuriger bestudeerd, nadat Hertz in 1892 de stelselmatige opzoekingen had herbegonnen. De kathodestralen worden door het glas volkomen tegengehouden; dunne metalen plaatjes laten ze nog door; Lenard heeft daarvan gebruikt gemaakt om die straling in volle lucht gemakkelijker gade te slaan; van daar de Lenardstralen. De katho-

[p. 464]

destralen, wanneer ze op een ondoordringbaar lichaam stooten, verwekken de Röntgen- of X-stralen, waarvan de eigenschappen overbekend zijn. De Röntgenstralen bestaan meer dan waarschijnlijk uit ethertrillingen. Toch bestaat hierover nog altijd verschil van meening.

Uit de anode of positief draadeinde vloeien Kanaalstralen die uit positieve ionen bestaan. Goldstein, die ze ontdekte, voorzag de kathode van zijn luchtledige buis met een hol, en soudeerde er een klein buisken aan langs den kant der anode. De stralen die van de anode uitgingen, trokken door dit buisken - kanaaltje: van daar hun naam - en waren zichtbaar door het blauwachtig schemerlicht dat ze veroorzaakten.⁽¹⁾

We laten al die verschillende, allerbelangrijkste verschijnselen terzij, om ons enkel met de kathodestralen bezig te houden. Daar immers ligt het zwaartepunt voor de electronentheorie.

Verschillende proefnemingen hebben het buiten twijfel gesteld, dat de kathodestralen een negatieve lading bezitten. Welk is nu hun natuur en hun samenstelling? Voor de proefondervindelijke studie der kathodestralen is J.J. Thomson de baanbreker. Reeds vóór hem namen velen, niettegenstaande de tegenovergestelde meening van Hertz aan dat die stralen moesten worden toegeschreven aan een zwerm negatiefgeladen stofdeeltjes die door de electrische kracht tusschen de twee electroden met groote snelheid werden voortgezweept; natuurlijk dacht men dat die stofdeeltjes niets anders waren als atomen en moleculen.

Dat de kathodestralen geen ethertrillingen of iets dergelijks zijn, maar uit stofdeeltjes zijn samengesteld, bewijst het feit dat hun richting door een zeilsteen wordt gewijzigd; door middel van die afwijking die een zeilsteen aan de kathodestralen doet ondergaan, is men er door zeer eenvoudige

(1) In de laatste tijden heeft men bevonden dat kanaal- en anodestralen wezenlijk verschillen. Men neemt algemeen aan dat de eerste aan de kathode hun oorsprong hebben. 't Is hier de plaats niet om over dit punt verder uit te weiden.

[p. 465]

berekeningen⁽¹⁾ in geslaagd de verhouding tusschen de electrische lading en de massa van ieder kathodenstraaldeeltje te bepalen. Die twee grootten afzonderlijk vaststellen is tot nog toe niet mogelijk geweest. Maar 't lag natuurlijk op den weg der natuurvorschers, de electrische lading van ieder deeltje gelijk te stellen met de electriciteitseenheid die reeds bij de electrolyse en de ionisatie-verschijnselen was gevonden. Natuurlijk kan men dan ook afzonderlijk de massa der electronen berekenen. En hier stiet men op den alleszins onverwachten uitslag, dat die stofdeeltjes - we kunnen ze voorloopig nog als dusdanig opvatten - een ongeveer 2000 keeren kleinere massa bezitten dan het waterstofatoom, het kleinste dat tot hiertoe bekend stond. Het electroon kon dus, volgens de studie der kathodestralen worden beschouwd als een uiterst klein stofdeeltje met één electriciteitsatoom verbonden.

Wordt een zinkplaat door ultraviolet licht beschenen, dan vloeien er ook electronen uit. Nauwkeurige metingen hebben tot dezelfde uitslagen geleid als bij de kathodestralen. Nieuwe bijzonderheden over de natuur der electronen hebben de photo-electrische verschijnselen echter niet gebracht. We zullen in 't geen volgt zien dat de studie der

(1) Men plaatst den zeilsteen zoodanig dat de kathodestralen in de plaats van in een rechte lijn, zich in een kring voortbewegen. De middelpuntzoekende kracht wordt dan voortgebracht door de magnetische kracht uitgeoefend op de electrische lading van ieder deeltje. Zij is gelijk aan E v.H (E = electrische lading van een deeltje, v - bewegingsnelheid, H = sterkte van het magnetisch veld). De middelpuntvlietende kracht is voor één deeltje gelijk aan Mv²/r. volgens de welbekende mechanische wet der draaiende beweging van zware lichamen (M = massa van een deeltje v = bewegingsnelheid, r = halve middellijn van den cirkel die het deeltje beschrijft). Daar nu die twee krachten gelijk zijn heeft men: E v.H = Mv²/r, bijgevolg E/M = v/r. H (a); r en H kan men gemakkelijk meten. Om v te berekenen verwekt men een electrisch veld dat de afwijking der kathodestralen door het magnetisch veld voortgebracht doet verdwijnen, doordat het met dezelfde kracht maar in tegenovergestelde richting werkt. Dan heeft men E v.H = E F (b) (E = lading van een deeltje; H = sterkte van het magnetisch veld; F = sterkte van het electrisch veld). Bijgevolg is v = F/H; dus wordt (a):E/M = F/r.H²; F, r en H kan men gemakkelijk meten.

[p. 466]

radioactieve lichamen integendeel het electronenbegrip aanzienlijk heeft gewijzigd en verder opgeklaard.

Röntgen had in zijn eerste schrift over de X-stralen doen opmerken, dat deze stralen uitgaan van de plaats der Röntgenbuis, waar het glas onder den invloed der kathodestralen een groenachtige fluorescentielichtvlek vertoont. Daarop voortgaand, beproefde een Fransch natuurkundige, Henri Becquerel, dezelfde uitwerksels met gewone fluoresceerende stoffen te bekomen. Te dien einde stelde hij een uraniumzout aan het zonnelicht bloot, en legde het daarna in de donkere kamer op eene in zwart papier gehulde photographische plaat. En waarlijk, hij kon een werking van het zout dóór het papier op de plaat vaststellen. Maar de betrekking van die straling met fluorescentieverschijnselen, die Becquerel zocht, bestond niet. Want denzelfden uitslag verkreeg hij met uraniumverbindingen, die langen tijd in een donkere plaats waren bewaard gebleven, en bijgevolg hoegenaamd geen fluorescentielicht vertoonden. In Februari 1896 maakte Becquerel zijn ontdekking bekend van deze nieuwe stralensoort, aan dewelke hij den naam gaf van ‘donkere stralen’. Becquerel vond verder dat een electroscoop zijn lading zeer snel verloor, wanneer er een uraanzoutkristal werd ingelegd. Heer en Vrouw Curie vonden verbindingen die veel werkzamer waren dan hun gehalte aan uranium liet vermoeden. Na langen en lastigen arbeid vonden zij twee nieuwe stoffen, polonium en radium, waarvan echter de eerste tegenwoordig niet meer als grondstof mag worden beschouwd. De straalkracht van het radium werd ongeveer 2.000.000 maal grooter bevonden dan die van het uranium. Later vond men nog meer radioactieve lichamen: thorium, actinium, en hunne verbindingen.

Hoe dieper men de radioactiviteit instudeerde, hoe klaarder het werd dat ze uit meer dan ééne stralensoort bestaat. Wanneer men krachtige stralen van zuivere radiumverbindingen door een magnetisch veld heenstuurt, wordt de aanvankelijke fijne stralenbundel in drie onderscheiden deelen ontleed: een deel wordt in dezelfde richting afgeleid als de anodestralen; een tweede wordt veel meer en in tegenovergestelde richting afgeleid, evenals de kathodestralen; een derde deel ondervond in 't geheel geen

[p. 467]

afwijking, zoomin als de X stralen waarvan reeds een woord werd gezegd. De drie straalsoorten die van de radioactieve lichamen uitgaan heet men onderscheidenlijk a-, B- en γ-stralen. Nog veel andere bijzonderheden wijzen op een nauw verband tusschen a- en anode- of kanaalstralen, tusschen β- en kathodestralen, tusschen γ- en X-stralen; maar 't is hier de plaats niet om hierover verder uit te weiden. Het eenig dat ons hier aanbelangt zijn de β-stralen, omdat zij gevoerd hebben tot een wezenlijke hervorming van het electronenbegrip.

Rutherford, een der scherpzinnigste vorschers op dit gebied, heeft vastgesteld dat de snelheid der β-stralen 20 tot 96 honderdsten bedraagt van de voortplantingsnelheid van het licht; ze is veel grooter dan bij kathodestralen. Maar van groot belang is vooral het volgende verschil dat tusschen de twee straalsoorten bestaat: Bij de kathodestralen blijft de verhouding tusschen de electriciteits- en de stofhoeveelheid of de massa voor alle snelheden ongeveer dezelfde; de voorkomende afwijkingen kunnen op de rekening der maatfouten worden geschoven. Bij de β-stralen is 't anders: bij groote snelheden neemt de waarde dier verhouding af, en wel in de mate dat hun snelheid die van het licht nabij komt.⁽¹⁾ Het verschil is hier te groot, dan dat het door verkeerde metingen zou kunnen uitgelegd. Dit verkleinen van de verhouding der electriciteitshoeveelheid van het electroon tot zijn massa, naarmate de voortplantingssnelheid toeneemt, is alleszins een verrassend feit, dat op twee manieren kan worden uitgelegd: ofwel verkleint de electrische lading, ofwel vergroot de massa. De eerste onderstelling is heel onwaarschijnlijk, gezien de stevig gegronde atomistische opvatting van de electriciteit.

Heel anders is de zaak gesteld wat de tweede onderstelling aangaat; de vergrooting der massa - althans hare schijnbare vergrooting - kan men gemakkelijk uit de eigenschappen van snel bewegende electrische ladingen afleiden. Onder dezer invloed immers ontstaat in hun omgeving een magnetisch veld; bijgevolg om een electroon

(1) Kaufmann is de eerste die dit allerbelangrijkst feit vaststelde.

[p. 468]

in beweging te brengen, hoeft men niet enkel den arbeid te leveren die noodig is om zijn stoffelijke massa in beweging te brengen, maar ook om het magnetisch veld voort te brengen of te versterken. In de bepaling van de verhouding E/M veronderstelt men integendeel dat geheel de kracht gebruikt wordt om het electroon in beweging te brengen. De massa van het electroon wordt dan afgeleid van de grootte dier kracht, en bijgevolg is het geen wonder dat die massa te hoog wordt geschat. Aanvankelijk nam men dus aan dat de massa⁽¹⁾ van het electroon was samengesteld uit een onveranderlijke massa - die van de gewone stof - en een veranderlijke, van elecromagnetischen oorsprong. Nu echter gaat men reeds verder: men heeft namelijk mathematisch bewezen, dat het mogelijk is, geheel van de stoffelijke massa af te zien, en alleenlijk een schijnbare massa, van electromagnetischen oorsprong aan te nemen. De feiten steunen hierin ten volle de theorie: wanneer de snelheid niet te groot is, blijft de schijnbare massa, ook volgens de mathematische theorie standvastig; eerst wanneer men de snelheid van het licht nabij komt worden de veranderingen merkbaar. De electronen in kathode- en β-stralen, en in de andere verschijnselen waarvan we kortheidshalve niet spraken, zouden dus moeten opgevat als ‘vrije negatief-electrische eenheden wier schijnbare traagheid aan electromagnetischen invloed dient toegeschreven.’ Gansch onweerlegbaar is tot nog toe die opvatting niet. Alleszins nemen de natuurvorschers ze voorloopig aan. Een krachtige bevestiging vindt die zienswijze nog in het feit dat de eigenschappen der kathodestralen onafhankelijk zijn van de stof waaruit de kathode bestaat, en van het gas dat in de Geiszlersche buis aanwezig is; dit ware moeilijk te verklaren in de onderstelling dat de electronen een stoffelijk bestanddeel bevatten. De zienswijze van Crookes die in de kathodestralen een vierden toestand der materie zag, komt dus door de huidige ontdekkingen tot haar volle waarde.

(1) Zonder aanspraak te maken op wijsgeerige nauwgezetheid, kunnen wij de massa opvatten als een weerstand tegen de krachten die den rust- of bewegingstoestand wijzigen. Stelkunstig gesproken: m (massa) = F(kracht)/v(snelheid).

[p. 469]

Positieve electrische atomen heeft men nog niet afzonderlijk bekomen: de positieve electriciteit komt maar voor in stoffelijke atomen, in den vorm van ionen. Zelfs is haar bestaan heel twijfelachtig, en groote natuurkundigen nemen enkel ééne soort van electronen aan. Een positief ioon zou enkel hierdoor positief zijn, doordat het een negatief electroon heeft verloren. Doch hierover later.

_* * _*

Nu dat we het electronenbegrip trapsgewijze hebben bepaald, en met een de huidige opvatting van de electriciteit geschetst, kunnen we overgaan tot het aanhalen van eenige verschijnselen waarop de electronenleer werd toegepast. Natuurlijk moeten we ons hier met eenige voorbeelden te vreden stellen; alles willen bespreken zou ons te ver leiden, en is ook niet noodig, daar wij in die toepassingen geen werkelijk-nieuwe bestanddeelen voor het electronenbegrip zullen vinden.

Wij repten reeds een woord over de photoëlectrische verschijnselen: wordt een zinken plaat beschenen - voornamelijk door booglicht - dan vloeien er negatieve electronen uit. De levende kracht der electronen neemt toe door het opslorpen van lichtenergie, en zoo vliegen zij uit de plaat wanneer zij zich in de richting van hare oppervlakte bewegen. Is de plaat negatief geladen, dan zijn er electronen aanwezig die minder vast aan de atomen gebonden zijn, en bijgevolg gemakkelijker wegvloeien. Is de plaat niet geladen, dan is zij, na het uitzenden van electronen, positief. Dit is gemakkelijk te begrijpen, indien positieve electriciteit bestaat in een tekort aan electronen. Een positief geladen plaat geeft geen electronen af.

Nog een woord over de toepassing der electronenleer op de verschijnselen in het galvanisch element. Vroeger was de meening algemeen aangenomen dat in de electrolyse de ontleding der vloeistof door de werking van den stroom wordt te weeg gebracht. Maar het feit dat aan een stroom, hoe gering ook, toch altijd een evenredige ontleding beantwoordt, maakte die opvatting reeds heel onwaarschijnlijk; een zekere kracht moest er toch altijd aanwezig zijn, en

[p. 470]

nog wel geen kleine, om de scheikundige aantrekkingskracht in de moleculen te overwinnen. Daarbij hangt de aard der ontledingsproducten niet af van den stroom maar wel van den dichtheidsgraad der oplossing. Zoo bekomt men uit zwavelzuur met veel water vermengd, H₂ en S O₄; met weinig water vermengd geeft het H en HSO₄. De scheikundigen hebben ten andere voldingend bewezen dat in de oplossingen altijd een deel der moleculen wordt gesplitst, waardoor reeds vóór de stroomwerking positief- en negatiefgeladen ionen voorhanden zijn. De verklaring van dit feit heeft men tot nogtoe niet gevonden; ook de electronentheorie kan daar nog geen voldoenden uitleg over geven. Maar het feit staat vast. Die moleculensplitsing nu vindt natuurlijk ook plaats in het electrisch of galvanisch element. Neemt men b.v. het Volta-element, dan heeft men een zinken (Zn) en een koperen (Cu) staaf die in verdund zwavelzuur (H₂ SO₄) is gedompeld. Een deel der zwavelzuurmoleculen is gesplitst in de positieve ionen H, H en de negatieve SO₄; deze laatste zijn tweewaardig. De ionen H, H hebben ieder een electroon te kort, en zijn dus positief; die twee electronen zijn aan SO₄ gebonden, en daarom is dit ioon negatief. Wij hebben reeds doen opmerken dat het ‘waarom’ dier splitsing nog een geheim is. Dit vooropgesteld, kunnen wij in de electronenleer het ontstaan van den electrischen stroom als volgt opvatten: Wanneer de koperen en de zinken staaf door een koperen geleiddraad zijn verbonden, verbindt zich een negatief ioon SO₄ met een zinkatoom, en vormt Zn SO₄; SO₄ immers heeft een sterke bindingsneiging voor zink. Maar dat zinkatoom, gelijk ieder ongeladen atoom⁽¹⁾ bevat (negatieve) electronen; deze worden bijgevolg teruggestooten door de electronen van SO₄. De zinken staaf bekomt dus een overschot van negatieve electriciteit door de opeenhooping van electronen; deze laatste echter vloeien gedurig door den geleiddraad naar den koperen staaf; deze wordt dus negatief geladen, trekt de positieve waterstofatomen aan en stoot de negatieve ionen SO₄ af, die ten andere geen bindings-

(1) Een negatief-geladen atoom ontstaat alleen door een overschot van negatieve electronen boven het gewoon getal.

[p. 471]

neiging voor het koper vertoonen. Nog andere merkwaardigheden zouden kunnen worden aangestipt, maar wij moeten ons bij het hoofdzakelijke beperken.

Nog enkel weze in 't algemeen bijgevoegd, dat vele van de reeds vroeger bestaande formulen mathematisch uit de electronenleer kunnen worden afgeleid. Natuurlijk draagt dit er niet weinig toe bij om deze opvatting te staven en haar hoe langer hoe meer te verrechtvaardigen. Op afzonderlijke voorbeelden kunnen we hier echter niet ingaan.

_* * _*

Nog enkele woorden over de verdere onderstellingen die de natuurkundigen hebben vooruitgezet, met betrekking vooral op de samenstelling der stof. Wij hebben in 't geen voorgaat beproefd, de begrippen: molecule, atoom, ioon, electroon, zoo klaar mogelijk uit te leggen. Het ioon hebben we voorloopig kunnen opvatten als een atoom met een overschot of een tekort aan electronen. Nu hebben de geleerden beproefd nog dieper in het wezen van het atoom door te dringen, en zelfs het dualisme tusschen atoom en electroon te doen verdwijnen. De onderstellingen zijn hier nog verre van gegrond; maar ze zijn toch reeds belangrijk genoeg, om ze in 't kort voor te stellen.

Vooreerst hebben de radioactieve verschijnselen bewezen - of althans waarschijnlijk gemaakt - dat de atomen verder deelbaar zijn. Het radiumatoom heeft een massa die ongeveer 226 maal grooter is dan die van het waterstofatoom; een α-deeltje, dat van het radiumatoom uitgaat, heeft slechts een massa die omtrent 4 maal grooter is dan die van het waterstofatoom.⁽¹⁾ Buiten de drie straalsoorten die reeds werden besproken, brengt het radium ook nog een gas voort dat men emanatie noemt; waarschijnlijk is het emanatie-atoom de nieuwe evenwichtstoestand der bestanddeelen van het radiumatoom, nadat het een α-deeltje heeft uitgestooten. De emanatie, op hare beurt, zendt α-deeltjes uit. De α-deeltjes vormen een nieuw gas, het

(1) Over de massa van het α-deeltje verschillen de meeningen; sommigen schrijven het een nog kleinere massa toe.

[p. 472]

helium.⁽¹⁾ Zulks schijnt nu voldingend te zijn bewezen door Rutherford. Deze natuurkundige vulde met radiumemanatie een glazen buis, waarvan de wanden dun genoeg waren om a-stralen door te laten. Die buis werd dan in een andere geplaatst, waaruit zooveel mogelijk de lucht was verwijderd. Na eenigen tijd verraadde het spectroscopisch onderzoek het aanwezig-zijn van helium in de tweede buis. Het waren dus de α-deeltjes die het helium hadden voortgebracht, want vulde men de eerste buis met helium, dan was er in de andere van dit gas geen spoor te ontdekken.⁽²⁾ Met de emanatie is de gedaanteverandering van het radium-atoom niet voltrokken. Emanatie zendt ook α-deeltjes uit, verandert alzoo in radium-B; hieruit vloeien β-deeltjes en ontstaat radium-C; radium-C verandert in radium-D enz. tot radium-F. Dergelijk ontwikkelingsverloop is eveneens bij andere radioactieve lichamen waargenomen; α-deeltjes komen overal voor, waarschijnlijk met dezelfde massa. Soddy heeft bewezen dat helium ook door uranium wordt voortgebracht; is het waar dat helium rechtstreeks uit α-deeltjes wordt ontwikkeld, dan zou helium in alle radioactieve stoffen moeten worden aangetroffen.

Verder hebben verschillende natuurkundigen de meening vooruitgezet dat alle lichamen radioactief zijn. Zekerheid bestaat op dit gebied nog niet, vooral daar Elster en Geitel voldingend hebben bewezen, dat overal in de lucht emanatie aanwezig is, die een soort secondaire radioactiviteit in de lichamen kan te voorschijn roepen.

Wat er ook van zij, deze en andere soortgelijke feiten wijzen er op dat het atoom zelf uit onderscheiden deelen bestaat. Daarenboven wordt het hoe langer hoe waarschijnlijker gemaakt, dat de atomen van de meest verschillende elementen uit de zelfde grondstof zijn samengesteld. Zelfs gaat men hierin zoo ver dat men reeds aanneemt dat die grondstof de electriciteit zelve is. Het stofatoom zou maar een verzameling zijn van meerdere electronen; bijgevolg

(1) Het helium werd door Janssen (1868) ontdekt in de chromosfeer der zon, door middel van de spectroscopie. Van daar zijn naam (Zon = in 't Gr.: hèlios).

(2) Ten andere het atoomgewicht van het helium komt het atoomgewicht van het α-deeltje zeer nabij.

[p. 473]

zou zijn massa enkel schijnbaar zijn. Het valt niet te ontkennen dat de ontdekkingen op het gebied der radioactiviteit veel moeilijkheden hebben uit den weg geruimd, die bijzonder voortkwamen uit het vroeger in zwang zijnde massabegrip.

Teekenend is hier de opvatting van Thomson, die ook Righi⁽¹⁾ als heel waarschijnlijk aanneemt. Volgens hem is het atoom samengesteld uit negatieve electronen. Het positief ioon is een atoom, dat één of meer electronen heeft verloren. Het negatief ioon is een atoom, waaraan electronen werden toegevoegd. Bewezen is deze stelling op verre na niet. Minder nog deze andere, volgens dewelke een electroon enkel een etherkern zou zijn. Die stelling verdedigt Le Bon in zijn boek L'Evolution de la matière. De natuurkundigen zijn het omtrent eens om zulks sterk te betwijfelen. Nog andere stelsels werden vooruitgezet, maar het is onmogelijk daar verder over uit te weiden.

Nog enkel weze het toegelaten het slot aan te halen eener voordracht door Himstedt gehouden in de Freiburgsche hoogeschool, om te toonen tot welke eigenaardige ontdekkingen ons de hedendaagsche opvattingen nog kunnen leiden. Een middeleeuwsch alchimist zou het niet verder kunnen drijven:

‘Wij moeten⁽²⁾’ zoo zegt hij, ‘er naar trachten, invloed op de atomen te krijgen, wij moeten ze leeren beheerschen, gelijk wij in de scheikunde de moleculen hebben leeren beheerschen. Evenals wij tegenwoordig naar believen, water in waterstof en zuurstof kunnen veranderen, of omgekeerd, uit waterstof en zuurstof water samenstellen; evenals wij duizenden organische zelfstandigheden, waarvan men vroeger dacht dat zij alleen in het levende wezen kunnen worden voortgebracht, tegenwoordig met kool-, stik-, water- en zuurstof hebben leeren opbouwen, zoo

(1) ‘Evenals de scheikunde eens onze moleculen tot atomen heeft herleid, kan men zeggen dat nu op hare beurt de natuurkunde de atomen heeft ontleed in electronen.’ Righi. Le nuove vedute sull' intima struttura della materia. Bologna, 1907.

(2) Himstedt: Radioactivität und die Konstitution der Materie. Freiburg und Leipzig, 1906, blz. 30.

[p. 474]

moeten wij leeren, van een atoom electronen af te scheiden, of het in electronengroepen te verdeelen, en wellicht omgekeerd, met electronen een bepaald element samen te stellen. De oplossing van het eerste vraagstuk zou tevens een hooge practische beteekenis hebben.’ De verandering van een element in een ander zou dan maar een kinderspel meer zijn, en daarenboven zouden wij krachten tot onze beschikking hebben, over wier grootte we ons tot nog toe geen gedachte kunnen vormen.

Ivo Cornelis.

Rome, den 14^en Februari, 1910.