Sir Joseph John Thomson war ein britischer Physiker und Nobelpreisträger in Physik, dem die Entdeckung des Elektrons zugeschrieben wird, des ersten subatomaren Teilchens, das je entdeckt wurde.
1897 zeigte Thomson, dass Kathodenstrahlen aus zuvor unbekannten negativ geladenen Teilchen bestanden, die heute Elektronen genannt werden. Er berechnete, dass diese Teilchen viel kleiner als Atome sein müssen und ein sehr großes Ladungs-Masse-Verhältnis haben. Thomson wird auch zugeschrieben, 1913 die erste Evidenz für Isotope eines stabilen nichtradioaktiven Elements gefunden zu haben, als Teil seiner Untersuchung der Zusammensetzung von Kanalstrahlen positiver Ionen. Seine Experimente zur Bestimmung der Natur positiv geladener Teilchen zusammen mit Francis William Aston waren die erste Anwendung der Massenspektrometrie und führten zur Entwicklung des Massenspektrographen.
Thomson wurde 1906 mit dem Nobelpreis für Physik für seine Arbeiten zur Stromleitung in Gasen ausgezeichnet.
Ausbildung und persönliches Leben
Joseph John Thomson wurde am 18. Dezember 1856 in Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, England geboren. Seine Mutter, Emma Swindells, stammte aus einer lokalen Textilienfamilie. Sein Vater, Joseph James Thomson, betrieb eine antiquarische Buchhandlung, die von Thomsons Urgroßvater gegründet worden war. Er hatte einen Bruder, Frederick Vernon Thomson, der zwei Jahre jünger war als er. J. J. Thomson war ein zurückhaltender, aber frommer Anglikaner.
Seine frühe Ausbildung erhielt er in kleinen Privatschulen, wo er außergewöhnliche Begabung und Interesse an Wissenschaft zeigte. 1870 wurde er im ungewöhnlich jungen Alter von 14 Jahren zum Owens College in Manchester aufgenommen, das heute University of Manchester ist. Seine Eltern planten, ihn als Lehrling bei Sharp-Stewart & Co, einem Lokomotivhersteller, einzustellen, aber diese Pläne wurden unterbrochen, als sein Vater 1873 starb.
1876 wechselte er zum Trinity College in Cambridge. 1880 erhielt er seinen Bachelor of Arts in Mathematik (Second Wrangler in den Tripos und 2. Smith's Prize). 1881 wurde er Fellow des Trinity College. Thomson erhielt 1883 seinen Master of Arts mit dem Adams Prize.
Familie
1890 heiratete Thomson Rose Elisabeth Paget. Ab 1882 konnten Frauen an Demonstrationen und Vorlesungen an der University of Cambridge teilnehmen. Rose Paget, Tochter von Sir George Edward Paget, einem Arzt und später Regius Professor of Physic an Cambridge, in der Kirche St. Mary the Less interessierte sich für Physik. Sie nahm an Demonstrationen und Vorlesungen teil, darunter auch an denen von Thomson. Ihre Beziehung entwickelte sich von dort aus. Sie hatten zwei Kinder: George Paget Thomson, dem ebenfalls ein Nobelpreis für seine Arbeit über die Welleneigenschaften des Elektrons verliehen wurde, und Joan Paget Thomson, später Charnock, die Autorin wurde und Kinderbücher, Sachbücher und Biografien schrieb.
Karriere und Forschung
Übersicht
Am 22. Dezember 1884 wurde Thomson zum Cavendish Professor of Physics an der University of Cambridge ernannt. Die Ernennung verursachte erhebliche Überraschung, da Kandidaten wie Osborne Reynolds oder Richard Glazebrook älter und erfahrener in Laborarbeiten waren. Thomson war bekannt für seine Arbeit als Mathematiker, wo er als außergewöhnliches Talent anerkannt wurde.
1906 erhielt er den Nobelpreis „in Anerkennung der großen Verdienste seiner theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Stromleitung durch Gase". 1908 wurde er geadelt und 1912 zum Order of Merit ernannt. 1914 hielt er die Romanes Lecture in Oxford über „The atomic theory". 1918 wurde er Master of Trinity College Cambridge, wo er bis zu seinem Tod blieb. Joseph John Thomson starb am 30. August 1940; seine Asche ruht in Westminster Abbey, in der Nähe der Gräber von Sir Isaac Newton und seinem ehemaligen Schüler Ernest Rutherford.
Einer von Thomsons größten Beiträgen zur modernen Wissenschaft war seine Rolle als hochbegabter Lehrer. Einer seiner Schüler war Ernest Rutherford, der ihm später als Cavendish Professor of Physics nachfolgte. Neben Thomson selbst gewannen sechs seiner Forschungsassistenten Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson und Charles Thomson Rees Wilson Nobelpreise in Physik, und zwei Francis William Aston und Ernest Rutherford gewannen Nobelpreise in Chemie. Darüber hinaus gewann Thomsons Sohn George Paget Thomson 1937 den Nobelpreis für Physik für den Nachweis der Welleneigenschaften von Elektronen.
Frühe Arbeiten
Thomsons preisgekröntes Meisterwerk, Treatise on the motion of vortex rings, zeigt sein frühes Interesse an der Atomstruktur. Darin beschrieb Thomson mathematisch die Bewegungen von William Thomsons Wirbel-Atom-Theorie.
Thomson veröffentlichte eine Reihe von Arbeiten zu mathematischen und experimentellen Fragen des Elektromagnetismus. Er untersuchte die elektromagnetische Lichttheorie von James Clerk Maxwell, führte das Konzept der elektromagnetischen Masse eines geladenen Teilchens ein und zeigte, dass ein bewegter geladener Körper scheinbar an Masse zunehmen würde.
Ein großer Teil seiner Arbeiten bei der mathematischen Modellierung chemischer Prozesse kann als frühe Computerchemie betrachtet werden. In weiteren Arbeiten, veröffentlicht in Buchform als Applications of dynamics to physics and chemistry 1888, befasste sich Thomson mit der Energieumwandlung in mathematischen und theoretischen Begriffen und suggeriarte, dass all Energie möglicherweise kinetisch ist. Sein nächstes Buch, Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893, baute auf Maxwells Treatise upon electricity and magnetism auf und wurde manchmal als „the third volume of Maxwell" bezeichnet. Darin betonte Thomson physikalische Methoden und Experimente und enthielt umfangreiche Abbildungen und Diagramme von Apparaten, einschließlich einiger zur Stromleitung durch Gase. Sein drittes Buch, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895, war eine verständliche Einführung in eine Vielzahl von Themen und erreichte beträchtliche Popularität als Lehrbuch.
Eine Serie von vier Vorlesungen, die Thomson 1896 bei einem Besuch der Princeton University hielt, wurden später als Discharge of electricity through gases 1897 veröffentlicht. Thomson hielt auch eine Serie von sechs Vorlesungen 1904 an der Yale University.
Entdeckung des Elektrons
Mehrere Wissenschaftler, wie William Prout und Norman Lockyer, hatten vorgeschlagen, dass Atome aus einer fundamentaleren Einheit aufgebaut sind, aber sie stellten sich diese Einheit in der Größe des kleinsten Atoms, des Wasserstoffs, vor. Thomson schlug 1897 erstmals vor, dass eine der fundamentalen Einheiten mehr als 1.000-mal kleiner als ein Atom war, und suggeriarte das subatomare Teilchen, das heute als Elektron bekannt ist. Thomson entdeckte dies durch seine Untersuchungen der Eigenschaften von Kathodenstrahlen. Thomson machte seinen Vorschlag am 30. April 1897 nach seiner Entdeckung, dass Kathodenstrahlen damals als Lenard-Strahlen bekannt viel weiter durch Luft reisen konnten als für ein atomgroßes Teilchen erwartet. Er schätzte die Masse von Kathodenstrahlen, indem er die Wärmeerzeugung maß, wenn die Strahlen auf eine Wärmekontaktstelle trafen, und dies mit der magnetischen Ablenkung der Strahlen verglich. Seine Experimente deuteten nicht nur darauf hin, dass Kathodenstrahlen über 1.000-mal leichter als das Wasserstoff-Atom waren, sondern auch dass ihre Masse gleich war, unabhängig davon, aus welcher Art von Atom sie stammten. Er schloss daraus, dass die Strahlen aus sehr leichten, negativ geladenen Teilchen bestanden, die ein universelles Baustein von Atomen waren. Er nannte die Teilchen „Korpuskeln", aber spätere Wissenschaftler bevorzugten den Namen Elektron, der von George Johnstone Stoney 1891 vorgeschlagen worden war, vor Thomsons tatsächlicher Entdeckung.
Im April 1897 hatte Thomson nur frühe Hinweise darauf, dass die Kathodenstrahlen elektrisch abgelenkt werden konnten; frühere Untersucher wie Heinrich Hertz hatten gedacht, dass dies nicht möglich sei. Ein Monat nach Thomsons Ankündigung des Korpuskels stellte er fest, dass er die Strahlen zuverlässig durch ein elektrisches Feld ablenken konnte, wenn er die Entladungsröhre auf sehr niedrigen Druck evakuierte. Durch den Vergleich der Ablenkung eines Kathodenstrahls durch elektrische und magnetische Felder erhielt er robustere Messungen des Ladungs-Masse-Verhältnisses, die seine früheren Schätzungen bestätigten. Dies wurde die klassische Methode zur Messung des Ladungs-Masse-Verhältnisses des Elektrons. Die Ladung selbst wurde erst durch Robert A. Millikans Öltropfen-Experiment 1909 gemessen.
Thomson glaubte, dass die Korpuskeln aus den Atomen des Spurengases in seinen Kathodenstrahlenröhren stammten. Er kam daher zu dem Schluss, dass Atome teilbar waren und dass die Korpuskeln ihre Bausteine waren. 1904 schlug Thomson ein Atommodell vor und hypothetisierte, dass es eine Kugel aus positiver Materie war, innerhalb derer elektrostatische Kräfte die Positionierung der Korpuskeln bestimmten. Um die insgesamt neutrale Ladung des Atoms zu erklären, schlug er vor, dass die Korpuskeln in einem einheitlichen Meer positiver Ladung verteilt waren. In diesem „Plum-Pudding-Modell" wurden die Elektronen als in die positive Ladung eingebettet wie Rosinen in einen Plumpudding angesehen, obwohl sie in Thomsons Modell nicht stationär waren, sondern schnell umkreisten.
Thomson machte die Entdeckung ungefähr zur gleichen Zeit, als Walter Kaufmann und Emil Wiechert das korrekte Ladungs-Masse-Verhältnis dieser Kathodenstrahlen Elektronen entdeckten.
Isotope und Massenspektrometrie
1912 leiteten Thomson und sein Forschungsassistent F. W. Aston bei seiner Untersuchung der Zusammensetzung der Ströme positiv geladener Teilchen, damals Kanalstrahlen genannt, einen Strom von Neon-Ionen durch ein magnetisches und ein elektrisches Feld und maßen seine Ablenkung, indem sie eine fotografische Platte in seinen Weg legten. Sie beobachteten zwei Lichtflecken auf der fotografischen Platte (siehe Bild rechts), was zwei verschiedene Ablenkungsparabeln suggerierte, und kamen zu dem Ergebnis, dass Neon aus Atomen zweier verschiedener Atommassen besteht Neon-20 und Neon-22, das heißt aus zwei Isotopen. Dies war die erste Evidenz für Isotope eines stabilen Elements; Frederick Soddy hatte zuvor die Existenz von Isotopen proposiert, um den Zerfall bestimmter radioaktiver Elemente zu erklären.
J. J. Thomsons Trennung von Neon-Isotopen nach ihrer Masse war das erste Beispiel der Massenspektrometrie, die später von F. W. Aston und A. J. Dempster verbessert und zu einer allgemeinen Methode entwickelt wurde.
Experimente mit Kathodenstrahlen
Früher diskutierten Physiker darüber, ob Kathodenstrahlen immateriell wie Licht „ein Prozess im Äther" oder „tatsächlich vollständig materiell waren und ... die Bahnen von Teilchen der Materie markierten, die mit negativer Elektrizität geladen sind", um Thomson zu zitieren. Die Äther-Hypothese war vage, aber die Teilchen-Hypothese war definit genug, damit Thomson sie testen konnte.
Magnetische Ablenkung
Thomson untersuchte zunächst die magnetische Ablenkung von Kathodenstrahlen. Kathodenstrahlen wurden in der Seitenröhre auf der linken Seite des Apparats erzeugt und passierten die Anode in die Hauptglocke, wo sie durch einen Magneten abgelenkt wurden. Thomson erkannte ihren Weg durch die Fluoreszenz auf einem karierten Schirm in der Glocke. Er fand heraus, dass unabhängig vom Material der Anode und dem Gas in der Glocke die Ablenkung der Strahlen gleich war, was darauf deutet, dass die Strahlen unabhängig von ihrer Herkunft die gleiche Form hatten.
Elektrische Ladung
Während Befürworter der Äther-Theorie die Möglichkeit akzeptierten, dass negativ geladene Teilchen in Crookes-Röhren erzeugt werden, machte sich Thomson daran zu untersuchen, ob er die Ladung tatsächlich von den Strahlen trennen konnte.
Thomson konstruierte eine Crookes-Röhre mit einem Elektrometer auf einer Seite, außerhalb des direkten Weges der Kathodenstrahlen. Thomson konnte den Weg des Strahls verfolgen, indem er den phosphoreszierenden Fleck beobachtete, den er dort erzeugte, wo er die Oberfläche der Röhre traf. Thomson beobachtete, dass das Elektrometer nur dann eine Ladung registrierte, wenn er den Kathodenstrahl mit einem Magneten zu ihm hinlenkte. Er schloss daraus, dass die negative Ladung und die Strahlen ein und dasselbe waren.
Elektrische Ablenkung
Im Mai–Juni 1897 untersuchte Thomson, ob die Strahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden konnten. Frühere Experimentatoren hatten dies nicht beobachten können, aber Thomson glaubte, dass ihre Experimente fehlerhaft waren, weil ihre Röhren zu viel Gas enthielten.
Thomson konstruierte eine Crookes-Röhre mit besserem Vakuum. Am Anfang der Röhre war die Kathode, aus der die Strahlen projiziert wurden. Die Strahlen wurden durch zwei Metallschlitze zu einem Strahl geschärft – der erste dieser Schlitze fungierte auch als Anode, der zweite war mit der Erde verbunden. Der Strahl passierte dann zwischen zwei parallelen Aluminiumplatten, die ein elektrisches Feld zwischen sich erzeugten, wenn sie mit einer Batterie verbunden waren. Das Ende der Röhre war eine große Kugel, wo der Strahl auf das Glas auftreffen würde und einen leuchtenden Fleck erzeugte. Thomson klebte eine Skala auf die Oberfläche dieser Kugel, um die Ablenkung des Strahls zu messen. Jedes
