Sir Joseph John Thomson était un physicien britannique et lauréat du prix Nobel de physique, reconnu pour la découverte de l'électron, la première particule subatomique à être découverte.
En 1897, Thomson a montré que les rayons cathodiques étaient composés de particules chargées négativement jusqu'alors inconnues, maintenant appelées électrons, dont il a calculé qu'elles devaient avoir une taille beaucoup plus petite que les atomes et un rapport charge-masse très élevé. Thomson est également reconnu pour avoir trouvé les premières preuves d'isotopes d'un élément stable non radioactif en 1913, dans le cadre de son exploration de la composition des rayons canaux et des ions positifs. Ses expériences pour déterminer la nature des particules chargées positivement, menées avec Francis William Aston, ont marqué le premier usage de la spectrométrie de masse et ont conduit au développement du spectrogramme de masse.
Thomson a reçu le prix Nobel de physique de 1906 pour ses travaux sur la conduction de l'électricité dans les gaz.
Éducation et vie personnelle
Joseph John Thomson est né le 18 décembre 1856 à Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Angleterre. Sa mère, Emma Swindells, venait d'une famille locale du textile. Son père, Joseph James Thomson, dirigeait une librairie de livres anciens fondée par le grand-père de Thomson. Il avait un frère, Frederick Vernon Thomson, qui était deux ans plus jeune que lui. J. J. Thomson était un homme réservé mais un anglican pieux.
Son éducation précoce s'est déroulée dans de petites écoles privées où il a démontré un talent exceptionnel et un intérêt marqué pour les sciences. En 1870, il a été admis à Owens College à Manchester, actuellement Université de Manchester, à l'âge inhabituellement jeune de 14 ans. Ses parents avaient prévu de l'enrôler comme apprenti ingénieur chez Sharp-Stewart & Co, un fabricant de locomotives, mais ces plans ont été interrompus par le décès de son père en 1873.
Il s'est ensuite inscrit à Trinity College, Cambridge, en 1876. En 1880, il a obtenu son diplôme de Bachelor of Arts en mathématiques (Second Wrangler au Tripos et 2e Smith's Prize). Il a postulé et est devenu Fellow de Trinity College en 1881. Thomson a reçu son diplôme de Master of Arts avec le Adams Prize en 1883.
Famille
En 1890, Thomson a épousé Rose Elisabeth Paget. À partir de 1882, les femmes pouvaient assister aux démonstrations et aux conférences à l'Université de Cambridge. Rose Paget, fille de Sir George Edward Paget, un médecin et
ensuite Regius Professor of Physic à Cambridge, à l'église de St. Mary the Less, s'intéressait à la physique. Elle a assisté à des démonstrations et des conférences, notamment celles de Thomson. Leur relation s'est développée à partir de là. Ils ont eu deux enfants : George Paget Thomson, qui a également reçu un prix Nobel pour ses travaux sur les propriétés ondulatoires de l'électron, et Joan Paget Thomson, plus tard Charnock, qui est devenue auteure, écrivant des livres pour enfants, des essais et des biographies.
Carrière et recherche
Aperçu général
Le 22 décembre 1884, Thomson a été nommé Cavendish Professor of Physics à l'Université de Cambridge. La nomination a suscité une surprise considérable, étant donné que des candidats comme Osborne Reynolds ou Richard Glazebrook étaient plus âgés et plus expérimentés dans les travaux de laboratoire. Thomson était connu pour ses travaux en tant que mathématicien, où il était reconnu comme un talent exceptionnel.
Il a reçu le prix Nobel en 1906, « en reconnaissance des grands mérites de ses investigations théoriques et expérimentales sur la conduction de l'électricité par les gaz ». Il a été anobli en 1908 et nommé à l'Ordre du Mérite en 1912. En 1914, il a donné la Conférence Romanes à Oxford sur « La théorie atomique ». En 1918, il est devenu Master de Trinity College, Cambridge, poste qu'il a occupé jusqu'à sa mort. Joseph John Thomson est décédé le 30 août 1940 ; ses cendres reposent à l'Abbaye de Westminster, près des tombes de Sir Isaac Newton et de son ancien étudiant, Ernest Rutherford.
L'une des plus grandes contributions de Thomson à la science moderne a été son rôle de très excellent professeur. L'un de ses étudiants était Ernest Rutherford, qui a ensuite succédé à Thomson en tant que Cavendish Professor of Physics. Outre Thomson lui-même, six de ses assistants de recherche, Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson et Charles Thomson Rees Wilson, ont remporté des prix Nobel de physique, et deux, Francis William Aston et Ernest Rutherford, ont remporté des prix Nobel de chimie. De plus, le fils de Thomson, George Paget Thomson, a reçu le prix Nobel de physique de 1937 pour avoir prouvé les propriétés ondulatoires des électrons.
Travaux précoces
Le travail de maîtrise primé de Thomson, Treatise on the motion of vortex rings, montre son intérêt précoce pour la structure atomique. Il y décrit mathématiquement les mouvements de la théorie des vortex atomiques de William Thomson.
Thomson a publié un certain nombre d'articles abordant à la fois des questions mathématiques et expérimentales de l'électromagnétisme. Il a examiné la théorie électromagnétique de la lumière de James Clerk Maxwell, introduit le concept de masse électromagnétique d'une particule chargée, et démontré qu'un corps chargé en mouvement semblerait augmenter en masse.
Une grande partie de ses travaux en modélisation mathématique des processus chimiques peut être considérée comme de la chimie computationnelle précoce. Dans d'autres travaux, publiés sous forme de livre intitulé Applications of dynamics to physics and chemistry (1888), Thomson a abordé la transformation de l'énergie en termes mathématiques et théoriques, suggérant que toute l'énergie pourrait être cinétique. Son prochain livre, Notes on recent researches in electricity and magnetism (1893), s'appuyait sur le Treatise upon electricity and magnetism de Maxwell, et était parfois désigné comme « le troisième volume de Maxwell ». Dans celui-ci, Thomson a mis l'accent sur les méthodes physiques et l'expérimentation et a inclus des figures et des diagrammes extensifs de l'appareil, dont un certain nombre pour le passage de l'électricité à travers les gaz. Son troisième livre, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (1895), était une introduction lisible à une grande variété de sujets, et a connu un succès considérable en tant que manuel.
Une série de quatre conférences, donnée par Thomson lors d'une visite à l'Université de Princeton en 1896, a été ensuite publiée sous le titre Discharge of electricity through gases (1897). Thomson a également présenté une série de six conférences à l'Université Yale en 1904.
Découverte de l'électron
Plusieurs scientifiques, comme William Prout et Norman Lockyer, avaient suggéré que les atomes étaient constitués d'une unité plus fondamentale, mais ils envisageaient cette unité comme ayant la taille du plus petit atome, l'hydrogène. Thomson a été le premier, en 1897, à suggérer que l'une des unités fondamentales était plus de 1 000 fois plus petite qu'un atome, suggérant la particule subatomique maintenant connue sous le nom d'électron. Thomson a découvert cela par ses explorations sur les propriétés des rayons cathodiques. Thomson a formulé cette suggestion le 30 avril 1897 suite à sa découverte que les rayons cathodiques, à l'époque connus sous le nom de rayons de Lenard, pouvaient voyager beaucoup plus loin dans l'air que prévu pour une particule de la taille d'un atome. Il a estimé la masse des rayons cathodiques en mesurant la chaleur générée lorsque les rayons ont frappé une jonction thermique et en comparant cela avec la déviation magnétique des rayons. Ses expériences ont suggéré non seulement que les rayons cathodiques étaient plus de 1 000 fois plus légers que l'atome d'hydrogène, mais aussi que leur masse était la même quel que soit le type d'atome dont ils provenaient. Il a conclu que les rayons étaient composés de particules très légères, chargées négativement, qui constituaient un élément fondamental universel des atomes. Il a appelé les particules « corpuscules », mais les scientifiques ultérieurs ont préféré le nom électron qui avait été suggéré par George Johnstone Stoney en 1891, avant la découverte réelle de Thomson.
En avril 1897, Thomson n'avait que des indices précoces que les rayons cathodiques pouvaient être déviés électriquement ; les enquêteurs antérieurs, comme Heinrich Hertz, pensaient qu'ils ne pouvaient pas l'être. Un mois après l'annonce du corpuscule par Thomson, il a constaté qu'il pouvait dévier de manière fiable les rayons par un champ électrique s'il évacuait le tube de décharge à une très basse pression. En comparant la déviation d'un faisceau de rayons cathodiques par des champs électriques et magnétiques, il a obtenu des mesures plus robustes du rapport masse-charge qui confirmaient ses estimations précédentes. Ceci devint la méthode classique pour mesurer le rapport charge-masse de l'électron. La charge elle-même n'a été mesurée qu'après l'expérience de la goutte d'huile de Robert A. Millikan en 1909.
Thomson croyait que les corpuscules provenaient des atomes du gaz résiduel à l'intérieur de ses tubes de rayons cathodiques. Il en a donc conclu que les atomes étaient divisibles et que les corpuscules étaient leurs éléments constitutifs. En 1904, Thomson a proposé un modèle de l'atome, supposant qu'il s'agissait d'une sphère de matière positive dans laquelle les forces électrostatiques déterminaient le positionnement des corpuscules. Pour expliquer la charge globalement neutre de l'atome, il a proposé que les corpuscules soient distribués dans une mer uniforme de charge positive. Dans ce « modèle du pudding aux raisins », les électrons étaient vus comme étant intégrés dans la charge positive comme des raisins dans un pudding aux raisins, bien que dans le modèle de Thomson, ils n'étaient pas stationnaires, mais orbitaient rapidement.
Thomson a fait la découverte à peu près au même moment où Walter Kaufmann et Emil Wiechert découvraient le rapport masse-charge correct de ces électrons des rayons cathodiques.
Isotopes et spectrométrie de masse
En 1912, dans le cadre de son exploration de la composition des flux de particules chargées positivement alors connus sous le nom de rayons canaux, Thomson et son assistant de recherche F. W. Aston ont canalisé un flux d'ions de néon à travers un champ magnétique et un champ électrique et ont mesuré sa déviation en plaçant une plaque photographique sur son parcours. Ils ont observé deux taches de lumière sur la plaque photographique (voir image à droite), qui suggéraient deux paraboles de déviation différentes, et ont conclu que le néon est composé d'atomes de deux masses atomiques différentes, néon-20 et néon-22, c'est-à-dire de deux isotopes. C'était la première preuve d'isotopes d'un élément stable ; Frederick Soddy avait auparavant proposé l'existence d'isotopes pour expliquer la désintégration de certains éléments radioactifs.
La séparation des isotopes du néon par leur masse réalisée par J. J. Thomson a été le premier exemple de spectrométrie de masse, qui a été ensuite amélioré et développé en une méthode générale par F. W. Aston et par A. J. Dempster.
Expériences avec les rayons cathodiques
Auparavant, les physiciens débattaient pour savoir si les rayons cathodiques étaient immatériels comme la lumière « un processus dans l'éther » ou « en fait complètement matériels, et ... marquaient les trajectoires de particules de matière chargées d'électricité négative », citant Thomson. L'hypothèse éthérée était vague, mais l'hypothèse des particules était assez précise pour que Thomson la teste.
Déviation magnétique
Thomson a d'abord enquêté sur la déviation magnétique des rayons cathodiques. Les rayons cathodiques ont été produits dans le tube latéral à gauche de l'appareil et ont traversé l'anode dans le bocal principal, où ils ont été déviés par un aimant. Thomson a détecté leur trajectoire par la fluorescence sur un écran quadrillé dans le bocal. Il a constaté que, quel que soit le matériau de l'anode et le gaz dans le bocal, la déviation des rayons était la même, ce qui suggère que les rayons avaient la même forme quelle que soit leur origine.
Charge électrique
Alors que les partisans de la théorie éthérée acceptaient la possibilité que des particules chargées négativement soient produites dans les tubes de Crookes, Thomson s'est proposé d'enquêter pour savoir s'il pouvait réellement séparer la charge des rayons.
Thomson a construit un tube de Crookes avec un électromètre placé sur le côté, hors du chemin direct des rayons cathodiques. Thomson pouvait tracer la trajectoire du rayon en observant la tache phosphorescente qu'il créait là où il frappait la surface du tube. Thomson a observé que l'électromètre n'enregistrait une charge que lorsqu'il déviait le rayon cathodique vers lui avec un aimant. Il a conclu que la charge négative et les rayons n'étaient qu'une seule et même chose.
Déviation électrique
En mai-juin 1897, Thomson a enquêté pour savoir si les rayons pouvaient être déviés par un champ électrique. Les expérimentateurs antérieurs n'avaient pas observé cela, mais Thomson croyait que leurs expériences étaient défectueuses parce que leurs tubes contenaient trop de gaz.
Thomson a construit un tube de Crookes avec un meilleur vide. Au début du tube se trouvait la cathode dont les rayons provenaient. Les rayons ont été affinés en un faisceau par deux fentes métalliques – la première de ces fentes a servi également d'anode, la seconde était connectée à la terre. Le faisceau a ensuite traversé l'espace entre deux plaques d'aluminium parallèles, ce qui créait un champ électrique entre elles lorsqu'elles étaient connectées à une batterie. L'extrémité du tube était une grande sphère où le faisceau aurait un impact sur le verre, créant une tache brillante. Thomson a collé une échelle à la surface de cette sphère pour mesurer la déviation du faisceau. Toute d
