Sir Joseph John Thomson fue un físico británico y Premio Nobel de Física, acreditado con el descubrimiento del electrón, la primera partícula subatómica en ser descubierta.
En 1897, Thomson demostró que los rayos catódicos estaban compuestos de partículas cargadas negativamente previamente desconocidas ahora llamadas electrones, que calculó debían tener cuerpos mucho más pequeños que los átomos y una relación carga-masa muy grande. Thomson también es acreditado con encontrar la primera evidencia de isótopos de un elemento estable no radiactivo en 1913, como parte de su exploración en la composición de rayos de canal iones positivos. Sus experimentos para determinar la naturaleza de las partículas cargadas positivamente, con Francis William Aston, fueron el primer uso de espectrometría de masas y llevaron al desarrollo del espectrógrafo de masas.
Thomson fue galardonado con el Premio Nobel de Física de 1906 por su trabajo sobre la conducción de electricidad en gases.
Educación y vida personal
Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Inglaterra. Su madre, Emma Swindells, provenía de una familia local de textiles. Su padre, Joseph James Thomson, dirigía una librería de libros antiguos fundada por el bisabuelo de Thomson. Tenía un hermano, Frederick Vernon Thomson, que era dos años menor que él. J. J. Thomson era un anglicano reservado pero devoto.
Su educación inicial fue en pequeñas escuelas privadas donde demostró talento destacado e interés en la ciencia. En 1870, fue admitido en Owens College en Manchester ahora Universidad de Manchester a la edad inusualmente joven de 14 años. Sus padres planeaban inscribirlo como aprendiz de ingeniero en Sharp-Stewart & Co, un fabricante de locomotoras, pero estos planes se interrumpieron cuando su padre murió en 1873.
Se trasladó a Trinity College, Cambridge, en 1876. En 1880, obtuvo su título de Bachiller en Artes en matemáticas Second Wrangler en el Tripos y 2.º Smith's Prize. Solicitó y se convirtió en Fellow de Trinity College en 1881. Thomson recibió su título de Máster en Artes con Adams Prize en 1883.
Familia
En 1890, Thomson se casó con Rose Elisabeth Paget. A partir de 1882, las mujeres podían asistir a demostraciones y conferencias en la Universidad de Cambridge. Rose Paget, hija de Sir George Edward Paget, un médico y
entonces Regius Professor of Physic en Cambridge en la iglesia de St. Mary the Less, estaba interesada en la física. Asistió a demostraciones y conferencias, entre ellas las de Thomson. Su relación se desarrolló a partir de allí. Tuvieron dos hijos: George Paget Thomson, quien también fue galardonado con un Premio Nobel por su trabajo sobre las propiedades ondulatorias del electrón, y Joan Paget Thomson posteriormente Charnock, quien se convirtió en autora, escribiendo libros infantiles, no ficción y biografías.
Carrera e investigación
Descripción general
El 22 de diciembre de 1884, Thomson fue nombrado Profesor de Física Cavendish en la Universidad de Cambridge. El nombramiento causó considerable sorpresa, dado que candidatos como Osborne Reynolds o Richard Glazebrook eran mayores y más experimentados en trabajo de laboratorio. Thomson era conocido por su trabajo como matemático, donde era reconocido como un talento excepcional.
Fue galardonado con un Premio Nobel en 1906, "en reconocimiento de los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de electricidad por gases." Fue nombrado caballero en 1908 y designado para la Order of Merit en 1912. En 1914, dio la Romanes Lecture en Oxford sobre "La teoría atómica". En 1918, se convirtió en Master of Trinity College, Cambridge, donde permaneció hasta su muerte. Joseph John Thomson murió el 30 de agosto de 1940; sus cenizas descansan en Westminster Abbey, cerca de las tumbas de Sir Isaac Newton y su antiguo estudiante, Ernest Rutherford.
Una de las mayores contribuciones de Thomson a la ciencia moderna fue su papel como profesor altamente dotado. Uno de sus estudiantes fue Ernest Rutherford, quien posteriormente lo sucedió como Profesor de Física Cavendish. Además de Thomson mismo, seis de sus asistentes de investigación Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson y Charles Thomson Rees Wilson ganaron Premios Nobel en física, y dos Francis William Aston y Ernest Rutherford ganaron premios Nobel en química. Además, el hijo de Thomson George Paget Thomson ganó el Premio Nobel de Física de 1937 por probar las propiedades ondulatorias de los electrones.
Trabajo temprano
El trabajo de maestría premiado de Thomson, Treatise on the motion of vortex rings, muestra su interés temprano en la estructura atómica. En él, Thomson describió matemáticamente los movimientos de la teoría del vórtice de átomos de William Thomson.
Thomson publicó varios artículos abordando tanto cuestiones matemáticas como experimentales del electromagnetismo. Examinó la teoría electromagnética de la luz de James Clerk Maxwell, introdujo el concepto de masa electromagnética de una partícula cargada, y demostró que un cuerpo cargado en movimiento aparentemente aumentaría de masa.
Gran parte de su trabajo en modelado matemático de procesos químicos puede considerarse como química computacional temprana. En trabajos posteriores, publicados en forma de libro como Applications of dynamics to physics and chemistry 1888, Thomson abordó la transformación de energía en términos matemáticos y teóricos, sugiriendo que toda la energía podría ser cinética. Su siguiente libro, Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893, se basó en el Treatise upon electricity and magnetism de Maxwell, y a veces se refería como "el tercer volumen de Maxwell". En él, Thomson enfatizó los métodos físicos y la experimentación e incluyó figuras extensas y diagramas del aparato, incluidos varios para el paso de electricidad a través de gases. Su tercer libro, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895 fue una introducción legible a una amplia variedad de temas, y logró considerable popularidad como libro de texto.
Una serie de cuatro conferencias, dadas por Thomson en una visita a Princeton University en 1896, fueron posteriormente publicadas como Discharge of electricity through gases 1897. Thomson también presentó una serie de seis conferencias en Yale University en 1904.
Descubrimiento del electrón
Varios científicos, como William Prout y Norman Lockyer, habían sugerido que los átomos estaban construidos a partir de una unidad más fundamental, pero imaginaban esta unidad del tamaño del átomo más pequeño, el hidrógeno. Thomson en 1897 fue el primero en sugerir que una de las unidades fundamentales era más de 1.000 veces más pequeña que un átomo, sugiriendo la partícula subatómica ahora conocida como el electrón. Thomson descubrió esto a través de sus exploraciones sobre las propiedades de los rayos catódicos. Thomson hizo su sugerencia el 30 de abril de 1897 tras su descubrimiento de que los rayos catódicos en ese momento conocidos como rayos Lenard podían viajar mucho más lejos a través del aire de lo esperado para una partícula del tamaño de un átomo. Estimó la masa de los rayos catódicos midiendo el calor generado cuando los rayos golpeaban una unión térmica y comparándolo con la deflexión magnética de los rayos. Sus experimentos sugirieron no solo que los rayos catódicos eran más de 1.000 veces más ligeros que el átomo de hidrógeno, sino también que su masa era la misma independientemente del tipo de átomo del que provenían. Concluyó que los rayos estaban compuestos de partículas muy ligeras, cargadas negativamente que eran un componente básico universal de los átomos. Llamó a las partículas "corpúsculos", pero los científicos posteriores prefirieron el nombre electrón que había sido sugerido por George Johnstone Stoney en 1891, antes del descubrimiento actual de Thomson.
En abril de 1897, Thomson solo tenía indicios tempranos de que los rayos catódicos podrían ser desviados eléctricamente investigadores anteriores como Heinrich Hertz habían pensado que no podían serlo. Un mes después del anuncio del corpúsculo de Thomson, encontró que podía desviarglobalmente los rayos por un campo eléctrico si evacuaba el tubo de descarga a una presión muy baja. Al comparar la deflexión de un haz de rayos catódicos por campos eléctricos y magnéticos obtuvo medidas más robustas de la relación masa-carga que confirmaron sus estimaciones anteriores. Este se convirtió en el medio clásico de medir la relación carga-masa del electrón. La carga misma no fue medida hasta el experimento de la gota de aceite de Robert A. Millikan en 1909.
Thomson creía que los corpúsculos emergían de los átomos del gas traza dentro de sus tubos de rayos catódicos. Por lo tanto, concluyó que los átomos eran divisibles, y que los corpúsculos eran sus componentes básicos. En 1904, Thomson sugirió un modelo del átomo, hipotetizando que era una esfera de materia positiva dentro de la cual las fuerzas electrostáticas determinaban el posicionamiento de los corpúsculos. Para explicar la carga general neutra del átomo, propuso que los corpúsculos estaban distribuidos en un mar uniforme de carga positiva. En este "modelo de pudín con pasas", los electrones se veían como incrustados en la carga positiva como pasas en un pudín de ciruela aunque en el modelo de Thomson no estaban estacionarios, sino orbitando rápidamente.
Thomson hizo el descubrimiento aproximadamente al mismo tiempo que Walter Kaufmann y Emil Wiechert descubrieron la relación correcta de masa a carga de estos rayos catódicos electrones.
Isótopos y espectrometría de masas
En 1912, como parte de su exploración en la composición de los flujos de partículas cargadas positivamente entonces conocidas como rayos de canal, Thomson y su asistente de investigación F. W. Aston canalizaron un flujo de iones de neón a través de un campo magnético y un campo eléctrico y midieron su deflexión colocando una placa fotográfica en su camino. Observaron dos parches de luz en la placa fotográfica ver imagen a la derecha, que sugirió dos parábolas diferentes de deflexión, y concluyeron que el neón está compuesto de átomos de dos masas atómicas diferentes neón-20 y neón-22, es decir de dos isótopos. Esta fue la primera evidencia de isótopos de un elemento estable; Frederick Soddy había propuesto previamente la existencia de isótopos para explicar la desintegración de ciertos elementos radiactivos.
La separación de isótopos de neón de J. J. Thomson por su masa fue el primer ejemplo de espectrometría de masas, que fue posteriormente mejorado y desarrollado en un método general por F. W. Aston y por A. J. Dempster.
Experimentos con rayos catódicos
Anteriormente, los físicos debatían si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz "algún proceso en el éter" o eran "de hecho completamente materiales, y ... marcan los caminos de partículas de materia cargadas con electricidad negativa", citando a Thomson. La hipótesis del éter era vaga, pero la hipótesis de las partículas era lo suficientemente definida para que Thomson la probara.
Deflexión magnética
Thomson investigó primero la deflexión magnética de los rayos catódicos. Los rayos catódicos fueron producidos en el tubo lateral a la izquierda del aparato y pasaron a través del ánodo hacia la campana principal, donde fueron desviados por un imán. Thomson detectó su camino por la fluorescencia en una pantalla cuadriculada en la campana. Encontró que cualquiera que fuera el material del ánodo y el gas en la campana, la deflexión de los rayos era la misma, sugiriendo que los rayos eran de la misma forma independientemente de su origen.
Carga eléctrica
Mientras que los partidarios de la teoría del éter aceptaban la posibilidad de que se produzcan partículas cargadas negativamente en los tubos de Crookes, Thomson se propuso investigar si podía o no separar realmente la carga de los rayos.
Thomson construyó un tubo de Crookes con un electrómetro colocado a un lado, fuera del camino directo de los rayos catódicos. Thomson podía rastrear el camino del rayo observando el parche fosforescente que creaba donde golpeaba la superficie del tubo. Thomson observó que el electrómetro registraba una carga solo cuando desviaba el rayo catódico hacia él con un imán. Concluyó que la carga negativa y los rayos eran una y la misma.
Deflexión eléctrica
En mayo-junio de 1897, Thomson investigó si los rayos podrían ser desviados por un campo eléctrico. Los experimentadores anteriores no habían observado esto, pero Thomson creía que sus experimentos eran defectuosos porque sus tubos contenían demasiado gas.
Thomson construyó un tubo de Crookes con un mejor vacío. Al inicio del tubo estaba el cátodo del cual los rayos se proyectaban. Los rayos fueron afilados a un haz por dos hendiduras de metal – la primera de estas hendiduras funcionaba como el ánodo, la segunda estaba conectada a tierra. El haz luego pasó entre dos placas paralelas de aluminio, que producían un campo eléctrico entre ellas cuando estaban conectadas a una batería. El final del tubo era una esfera grande donde el haz impactaría en el vidrio, creando un parche brillante. Thomson pegó una escala en la superficie de esta esfera para medir la deflexión del haz. Cualquier e
