Det tok lang tid før forskere skjønte at strålen i instrumentet bestod av en av de minste byggesteinene i universet.
Det tok lang tid før forskere skjønte at strålen i instrumentet bestod av en av de minste byggesteinene i universet.

For over 100 år siden bygde forskere en partikkel­akselerator, uten å ane hva de hadde skapt

I dag vet selv skoleelever at verden består av atomer, som igjen er lagd av elektroner og protoner. Men disse partiklene er altfor små til å synes i et mikroskop. Så hvordan i all verden oppdaget vi verdens minste byggesteiner?

Av og til kommer praksisen før teorien.

Da Lisleby Brug ved Fredrikstad fikk Norges første elektriske belysning i 1877, ante for eksempel ingen hva som fikk lampene til å lyse.

Men ute i verden var forskere i gang med å oppklare mysteriet. Og svaret de fant skulle vise seg å innebære så uendelig mye mer enn dypere forståelse av lamper.

På dette tidspunktet i historien var forskerne kommet langt i utforskingen av den klassiske fysikken.

Det meste rundt oss falt pent på plass i de eksisterende teoriene, som Newtons mekanikk eller Daltons teori om at stoffer bestod av atomer. Så pent at den ærverdige fysikeren Lord Kelvin skal ha uttalt:

- Det er ikke mer nytt å oppdage innen fysikk nå. Alt som står igjen, er mer og mer presise målinger.

Så feil kan man ta.

For allerede mens Kelvin uttalte de berømte ordene, hadde andre vitenskapsfolk begynt å nøste i andre tråder. Det skulle snart vise seg at de trådene endte i dørsprekken inn til en helt ny verden i vitenskapen:

Subatomær partikkelfysikk – altså læren om alt som er mindre enn atomer.

Lampene som ble brukt ved Lisleby var buelamper, som ble oppfunnet før den mer berømte lyspæra. Buelampen på bildet er ikke den samme som ble brukt i Norge, men prinsippet er det samme: Et skarpt og intenst lys ble skapt når elektrisk strøm hoppet mellom karbonstavene øverst i lampa. Lampene egnet seg ikke for private hjem, men ble for eksempel brukt på togstasjoner og i fabrikker.
Lampene som ble brukt ved Lisleby var buelamper, som ble oppfunnet før den mer berømte lyspæra. Buelampen på bildet er ikke den samme som ble brukt i Norge, men prinsippet er det samme: Et skarpt og intenst lys ble skapt når elektrisk strøm hoppet mellom karbonstavene øverst i lampa. Lampene egnet seg ikke for private hjem, men ble for eksempel brukt på togstasjoner og i fabrikker.

16 hester

Det er ikke godt å si akkurat når historien om buelampene i Fredrikstad og den subatomiske partikkelfysikken begynte.

For i begynnelsen handlet den slett ikke om lamper og partikler. Den dreide seg derimot om enkelte individers kriblende nysgjerrighet på rare fenomener i naturen, og alle de sprø eksperimentene de gjorde for å undersøke dem.

Slik sett kan vi kanskje like gjerne begynne på midten av 1600-tallet.

Da stod nemlig samme mann bak to oppfinnelser som skulle få enorm betydning.

Mannen var den tyske politikeren og vitenskapsmannen Otto von Guericke. Han interesserte seg for ingenting.

Altså: Hva som blir igjen hvis du fjerner stoffet i et rom.

Interessen førte til at vitenskapsmannen i 1654 oppfant vakuumpumpa, et instrument som suger mye av lufta ut av en beholder.

I et berømt forsøk satte von Guericke sammen to halvkuler av metall til en kule. Så pumpet han nesten all lufta ut av kula og viste forbløffede tilskuere at selv ikke 16 hester kunne trekke halvkulene fra hverandre.

Men vakuumpumpa var altså ikke det eneste partytrikset von Guericke syslet med.

Her er Otto von Guerickes eksperiment med de Magdeburgske halvkulene, tegnet i 1657 av vitenskapsmannen Gaspar Schott.
Her er Otto von Guerickes eksperiment med de Magdeburgske halvkulene, tegnet i 1657 av vitenskapsmannen Gaspar Schott.

Gnistrende maskin

På samme tidspunkt i historien hadde flere forskere begynt å fatte interesse for statisk elektrisitet. Altså – de rare tingene som skjer dersom du gnir visse typer materialer mot hverandre:

Plutselig står håret ditt rett opp. Du kan få ting til å tiltrekke hverandre eller frastøte hverandre uten at de er i kontakt. Eller du kan skape gnister.

Hva var det som forårsaket disse merkelige fenomenene?

I 1663 oppfant von Guericke en elektrisermaskin som kunne lage slik statisk elektrisitet. Maskinen bestod av en roterende kule som bygde opp elektrisk spenning.

Da oppfinneren døde i 1686, hadde han verken funnet svart på hvordan elektrisitet oppstår eller hvordan den virker. Men begge typene teknologi som han fant opp – vakuumpumpa og elektrisermaskinen – skulle bli avgjørende i den videre forskningen.

Wimshurst-maskinen er en elektrostatisk generator. Den ble funnet opp i 1880-årene av James Wimshurst. Når du sveiver på maskinen, bygges det opp elektrisk ladning, til et lyn skyter mellom kulene. (Fra Wikimedia Commons: Pappnaas666)

Vakuumrør med elektrostatisk generator

Utover mot 1700-tallet ble elektrisermaskinen videreutviklet og raffinert til elektrostatiske generatorer. De kunne bygge opp elektrisk ladning i en kule til spenningen ble stor nok til at en elektrisk gnist – et lite lyn – skjøt over til en annen kule.

Mange forskere studerte dette fenomenet. Og til slutt gikk det som det må når nerder er involvert:

Noen kom på at begge von Guerickes teknologier – vakuumpumpa og den elektrostatiske generatoren – kanskje kunne kombineres.

Altså:

Hva skjer med gnisten fra en elektrostatisk maskin hvis den er inne i et vakuumrør – en beholder der mye av luften er pumpet ut?

Som tenkt, lagde forskere tette glassrør med en elektrode i hver ende. De pumpet ut luft og satte elektrisk spenning på elektrodene, slik at det oppstod gnister mellom dem.

Det ble snart klart at lufta – eller mangelen på den – påvirket elektrisiteten. Inne i vakuumrørene kunne de elektriske gnistene nemlig gå mye lengre enn de gjorde igjennom vanlig luft.

Forskeren Michael Faraday oppdaget også at det oppstod en karakteristisk lysglød i deler av røret når spenningen over elektrodene ble stor.

Men det var først i 1857 at eksperimentene bokstavelig talt begynte å skinne. Da kom nemlig forskeren og glassblåseren Heinrich Geissler på bana.

Lysende oppdagelse

Geissler var en formidabel håndverker.

Han forbedret vakuumpumpa og klarte å lage glassrør som bare inneholdt bitte litt luft, eller ørsmå mengder av andre gasser.

Den nye teknologien gjorde at Geissler kunne gjøre eksperimenter hvor han sendte elektriske gnister igjennom ulike gasser i ulike mengder. Og dermed gjorde han en fantastisk viktig og ikke minst gøyal oppdagelse:

Når du sender elektrisitet igjennom et glassrør med bare bitte litt gass, begynner det å lyse!

Geisslerrørene ble lagd i mange farger og fasonger. Fargene ble lagd ved å bruke små mangder av ulike gasser i rørene. Når strømmen ble satt på, ga stoffene lys i ulike farger. Her er et utvalg Geisslerrør tegnet for en bok utgitt i 1859. Etter hvert ble oppfinnelsen videreutviklet til moderne neonrør.
Geisslerrørene ble lagd i mange farger og fasonger. Fargene ble lagd ved å bruke små mangder av ulike gasser i rørene. Når strømmen ble satt på, ga stoffene lys i ulike farger. Her er et utvalg Geisslerrør tegnet for en bok utgitt i 1859. Etter hvert ble oppfinnelsen videreutviklet til moderne neonrør.

Geissler hadde rett og slett funnet opp lysrøret, eller geisslerrøret, som det ble kalt på den tida. Han eksperimenterte med ulike gasser som gjorde at røret lyste i forskjellige farger.

Den vakre oppfinnelsen vakte selvfølgelig stor begeistring blant folk flest. Geislerrør ble til kunstferdige lysdekorasjoner og utgjorde startskuddet utviklingen som etter hvert endte i moderne neonreklamer.

Men oppfinnelsen skulle også bli avgjørende for en av de største oppdagelsene i fysikkens historie.

En stråle av stoff?

Forskere som eksperimenterte med geisslerrør, oppdaget at det lyste mest i rør med bare litt gass i. Men hvis de så pumpet ut enda mer gass, skjedde det noe rart: Det spredte seg mørke områder i røret.

Til slutt, når det var nesten tomt for gass, ble gløden borte. Nesten. For helt bakerst i røret lyste glassveggen.

Det var nå det virkelig begynte å demre.

Gikk det en stråle av et eller annet usynlig stoff fra elektroden i den ene enden av røret?

Stoff som ble stoppet dersom det var luft i røret, men som gikk tvers igjennom lufttomme rør, og så traff veggen i den andre enden og fikk den til å lyse opp?

Den britiske fysikeren William Crookes var en av forskerne som nå tok saken et skritt videre. Han lagde et nytt glassrør. I den ene enden satt en elektrode som vanlig. Et stykke ute i røret satt den andre elektroden. Men midt i stod en tynn metallplate formet som et malteserkors.

Da Crookes satte strøm på elektrodene, lyste bakveggen i røret opp, som vanlig. Det som imidlertid var nytt, var at bakveggen også viste en helt tydelig skygge av korset.

Det var altså noe som strålte fra elektroden! Noe som korset skygger for!

Fenomenet fikk navnet katodestråler. Men hva bestod de av?

(Du finner forklaringen på hvorfor det lyser i Crookesrørene i bildeteksten under).

Når vi vet at elektroden sender ut elektroner, er det mulig å forklare hva som skjer i et lysrør, og i et Crookesrør. Altså: Når et elektron som sendes ut fra elektroden treffer et luftmolekyl, stoppes elektronet, samtidig som det oppstår et lite lysglimt. Hvis du kjører forsøket i et rør fullt av luft, vil alle elektronene stoppes umiddelbart. Men med lite luft i røret, vil elektronene gå lengre før de treffer et luftmolekyl. Lysglimtene spres utover røret, og gir til sammen et lysskinn i hele lysrøret. Dersom du i stedet pumper ut all lufta av røret, vil ikke elektronene treffe noe på veien. De lager ikke noe lys. I stedet flyr de tvers igjennom røret og krasjer glassmolekyler i bakveggen. Der lager de lys! I Crookerøret stopper noen av elektronene i korset, og det dannes en skygge på bakveggen.
Når vi vet at elektroden sender ut elektroner, er det mulig å forklare hva som skjer i et lysrør, og i et Crookesrør. Altså: Når et elektron som sendes ut fra elektroden treffer et luftmolekyl, stoppes elektronet, samtidig som det oppstår et lite lysglimt. Hvis du kjører forsøket i et rør fullt av luft, vil alle elektronene stoppes umiddelbart. Men med lite luft i røret, vil elektronene gå lengre før de treffer et luftmolekyl. Lysglimtene spres utover røret, og gir til sammen et lysskinn i hele lysrøret. Dersom du i stedet pumper ut all lufta av røret, vil ikke elektronene treffe noe på veien. De lager ikke noe lys. I stedet flyr de tvers igjennom røret og krasjer glassmolekyler i bakveggen. Der lager de lys! I Crookerøret stopper noen av elektronene i korset, og det dannes en skygge på bakveggen.

1.000 ganger mindre enn det minste atom

Forskere gjorde mange eksperimenter for å finne ut mer om katodestrålene.

I et forsøk førte forskerne magneter langs Crookes-røret, mens de observerte på skyggen på bakveggen. Da viser det seg at skyggen beveget seg. Det som strålte, lot seg altså påvirke av magnetisme. Det betydde at stoffet strålen var lagd av trolig hadde elektrisk ladning.

Noen nevnt – mange gjemt

Historien om hvordan vi mennesker oppdaget den første partikkelen og lagde den første partikkelakseleratoren er i virkeligheten mer komplisert enn det som er formidlet her.

Mange forskere ga sine små og store bidrag til ny kunnskap og forståelse. Og flere holdt på med de samme tingene. Så var det virkelig Crookes som først oppdaget at lyset i vakuumrøret måtte være en stråle av ett eller annet stoff? Tja. Trolig hadde den tyske forskeren Johann Hittorf skjønt det før ham.

Mange viktige vitenskapsfolk er ikke nevnt her, selv om de i virkeligheten spilte vesentlige roller i historien.

Til slutt var det den britiske fysikeren Joseph Thomson som løste gåten.

På dette tidspunktet fantes det flere ideer om hva katodestrålen kunne bestå av. En av dem sa at strålen var lagd av noe som ble brutt løs fra atomene som elektroden var lagd av.

I så fall måtte det vel være mulig å måle dette stoffet?

Thomson satte i gang. Han målte hvor mye varme som ble dannet der katodestrålen traff. Og hvor mye strålen bøyde av for magneter. Disse dataene gjorde det mulig å beregne hvor mye masse det var i strålen.

Og det ga igjen en oppsiktsvekkende konklusjon:

Katodestrålen måtte bestå av en hittil ukjent partikkel, som var over 1000 ganger mindre enn det minste atomet!

Flere forsøk viste at katodestrålen så ut til å bestå av den samme typen partikkel, uansett hvilket stoff elektroden var lagd av.

I 1897 gikk Thomson ut med det han mente alt dette betydde:

Partiklene måtte være en bestanddel i alle atomer, som ble brutt løs da forskerne satte spenning på elektrodene.

Han kalte den bitte lille partikkelen for en korpuskel. Men navnet ble snart byttet ut med det vi kjenner i dag:

Elektron.

Den første partikkelakseleratoren

Etter århundrer med grubling og skrullete eksperimenter var altså to ting temmelig klare:

For det første at atomet etter all sannsynlighet ikke var den minste, udelelige byggesteinen i verden, men tvert imot bestod av mindre partikler, som elektronet.

Verdens første røntgenbilde. Bildet viser hånda til Wilhelm Röntgens kone.
Verdens første røntgenbilde. Bildet viser hånda til Wilhelm Röntgens kone.

Denne revolusjonerende erkjennelsen markerte startskuddet på en enorm utvikling innen fysikken, altså det stikk motsatte av spådommen til Lord Kelvin.

For det andre var det klart at elektriske fenomener, fra statisk elektrisitet til lyset i lampene på Lisleby Bruk, ble skapt av disse små elektronene.

Og det betydde igjen at vakuumrøret med elektroder i virkeligheten var en maskin som skjøt elektroner fra A til B.

Med andre ord – en partikkelakselerator.

Fra røntgenmaskiner til verdens begynnelse

I århundret som fulgte, ble nettopp slike akseleratorer tatt i bruk i en rekke nye teknologier.

Wilhelm Röntgen oppdaget for eksempel at Crookes katoderør lagde usynlige stråler som strakte seg langt utenfor selve røret og kunne trenge igjennom mange materialer. Han brukte den nye kunnskapen til å ta et berømt bilde av knoklene i sin kones hånd – det aller første røntgenbildet.

I dag lager små partikkelakseleratorer slike stråler, i røntgenmaskinene som finnes på utallige sykehus verden over.

For ikke å snakke om hvor nyttig katodestrålerøret ble for utviklingen av TV og datamaskiner.

Men utover 1900-tallet fikk partikkelakseleratorer også en annen rolle.

De ble instrumenter som gjorde det mulig å åpne døra inn til partikkelfysikkens verden på vidt gap. Stadig større og kraftigere akseleratorer har gitt oss et hav av ny kunnskap om hva verden består av og hvorfor den virker som den gjør.

(Rettelse, 11.07.2022, kl 16.30. En mindre rettelse ble gjort i avsnittet om katoderør i TV-apparater.)

Det er et langt sprang fra Crookesrøret til dagens partikkelakseleratorer. Den største er LHC ved CERN, på grensa mellom Frankrike og Sveits. Partiklene akselereres opp til nesten lysets hastighet, før de krasjer sammen inne i enorme detektorer som kan måle hva som skjer i kollisjonen. Her ser du CMS, en av detektorene, mens den er demontert for vedlikehold og oppgradering..
Det er et langt sprang fra Crookesrøret til dagens partikkelakseleratorer. Den største er LHC ved CERN, på grensa mellom Frankrike og Sveits. Partiklene akselereres opp til nesten lysets hastighet, før de krasjer sammen inne i enorme detektorer som kan måle hva som skjer i kollisjonen. Her ser du CMS, en av detektorene, mens den er demontert for vedlikehold og oppgradering..

Vi vil gjerne høre fra deg!

TA KONTAKT HER
Har du en tilbakemelding, spørsmål, ros eller kritikk? Eller tips om noe vi bør skrive om?

Powered by Labrador CMS