Sir Joseph John Thomson era un fisico britannico e Premio Nobel per la Fisica, accreditato della scoperta dell'elettrone, la prima particella subatomica ad essere scoperta.
Nel 1897, Thomson dimostrò che i raggi catodici erano composti da particelle cariche negativamente precedentemente sconosciute, ora chiamate elettroni, che calcolò dovessero avere corpi molto più piccoli degli atomi e un rapporto carica-massa molto grande. Thomson è anche accreditato di aver trovato le prime evidenze per isotopi di un elemento stabile non radioattivo nel 1913, come parte della sua esplorazione nella composizione dei raggi canali ioni positivi. I suoi esperimenti per determinare la natura delle particelle caricate positivamente, con Francis William Aston, furono il primo uso della spettrometria di massa e portarono allo sviluppo dello spettrografo di massa.
Thomson fu insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1906 per il suo lavoro sulla conduzione dell'elettricità nei gas.
Educazione e vita personale
Joseph John Thomson nacque il 18 dicembre 1856 a Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Inghilterra. Sua madre, Emma Swindells, proveniva da una famiglia locale del settore tessile. Suo padre, Joseph James Thomson, gestiva una libreria antiquaria fondata dal bisnonno di Thomson. Aveva un fratello, Frederick Vernon Thomson, che era due anni più giovane di lui. J. J. Thomson era una persona riservata ma devota anglicana.
La sua istruzione iniziale avvenne in piccole scuole private dove dimostrò un talento eccezionale e interesse per la scienza. Nel 1870, fu ammesso all'Owens College a Manchester, ora Università di Manchester, all'insolito giovane età di 14 anni. I suoi genitori progettavano di iscriverlo come apprendista ingegnere presso Sharp-Stewart & Co, un produttore di locomotive, ma questi piani furono interrotti quando suo padre morì nel 1873.
Si trasferì al Trinity College, Cambridge, nel 1876. Nel 1880, ottenne la laurea in matematica Second Wrangler nel Tripos e 2º Smith's Prize. Fece domanda e divenne Fellow del Trinity College nel 1881. Thomson ricevette il suo Master of Arts con Adams Prize nel 1883.
Famiglia
Nel 1890, Thomson sposò Rose Elisabeth Paget. A partire dal 1882, le donne potevano assistere a dimostrazioni e lezioni presso l'Università di Cambridge. Rose Paget, figlia di Sir George Edward Paget, un medico e
poi Regius Professor of Physic a Cambridge presso la chiesa di St. Mary the Less, era interessata alla fisica. Assistette a dimostrazioni e lezioni, tra cui quelle di Thomson. La loro relazione si sviluppò da lì. Ebbero due figli: George Paget Thomson, che fu anche insignito del Premio Nobel per il suo lavoro sulle proprietà ondulatorie dell'elettrone, e Joan Paget Thomson in seguito Charnock, che divenne autrice, scrivendo libri per bambini, saggistica e biografie.
Carriera e ricerca
Panoramica
Il 22 dicembre 1884, Thomson fu nominato Cavendish Professor of Physics presso l'Università di Cambridge. La nomina causò considerevole sorpresa, dato che candidati come Osborne Reynolds o Richard Glazebrook erano più anziani e più esperti nel lavoro di laboratorio. Thomson era conosciuto per il suo lavoro come matematico, dove era riconosciuto come un talento eccezionale.
Fu insignito del Premio Nobel nel 1906, "in riconoscimento dei grandi meriti delle sue indagini teoriche e sperimentali sulla conduzione dell'elettricità nei gas." Fu insignito del titolo di knight nel 1908 e nominato all'Order of Merit nel 1912. Nel 1914, tenne la Romanes Lecture a Oxford su "La teoria atomica". Nel 1918, divenne Master del Trinity College, Cambridge, dove rimase fino alla sua morte. Joseph John Thomson morì il 30 agosto 1940; le sue ceneri riposano nella Westminster Abbey, vicino alle tombe di Sir Isaac Newton e del suo ex studente, Ernest Rutherford.
Uno dei più grandi contributi di Thomson alla scienza moderna è stato nel suo ruolo di insegnante straordinariamente dotato. Uno dei suoi studenti era Ernest Rutherford, che in seguito lo succedette come Cavendish Professor of Physics. Oltre a Thomson stesso, sei dei suoi assistenti di ricerca Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson e Charles Thomson Rees Wilson vinsero il Premio Nobel in fisica, e due Francis William Aston e Ernest Rutherford vinsero premi Nobel in chimica. Inoltre, il figlio di Thomson George Paget Thomson vinse il Premio Nobel per la Fisica nel 1937 per aver provato le proprietà ondulatorie degli elettroni.
Primi lavori
Il lavoro magistrale premio di Thomson, Treatise on the motion of vortex rings, mostra il suo interesse iniziale nella struttura atomica. In esso, Thomson descriveva matematicamente i movimenti della teoria del vortice degli atomi di William Thomson.
Thomson pubblicò una serie di articoli affrontando sia questioni matematiche che sperimentali dell'elettromagnetismo. Esaminò la teoria elettromagnetica della luce di James Clerk Maxwell, introdusse il concetto di massa elettromagnetica di una particella carica, e dimostrò che un corpo carico in movimento avrebbe apparentemente aumentato la sua massa.
Gran parte del suo lavoro nella modellazione matematica dei processi chimici può essere pensato come chimica computazionale primitiva. In ulteriori lavori, pubblicati in forma di libro come Applications of dynamics to physics and chemistry 1888, Thomson affrontò la trasformazione dell'energia in termini matematici e teorici, suggerendo che tutta l'energia potrebbe essere cinetica. Il suo libro successivo, Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893, si basava su Treatise upon electricity and magnetism di Maxwell, e era a volte indicato come "il terzo volume di Maxwell". In esso, Thomson enfatizzava i metodi fisici e la sperimentazione e includeva ampie figure e diagrammi di apparecchi, compreso un numero per il passaggio dell'elettricità attraverso i gas. Il suo terzo libro, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895 era un'introduzione leggibile a un'ampia varietà di argomenti, e raggiunse considerevole popolarità come libro di testo.
Una serie di quattro lezioni, tenute da Thomson durante una visita all'Università di Princeton nel 1896, furono successivamente pubblicate come Discharge of electricity through gases 1897. Thomson presentò anche una serie di sei lezioni presso l'Università di Yale nel 1904.
Scoperta dell'elettrone
Diversi scienziati, come William Prout e Norman Lockyer, avevano suggerito che gli atomi erano costituiti da un'unità più fondamentale, ma la immaginavano della dimensione dell'atomo più piccolo, l'idrogeno. Thomson nel 1897 fu il primo a suggerire che una delle unità fondamentali era più di 1.000 volte più piccola di un atomo, suggerendo la particella subatomica ora nota come elettrone. Thomson scoprì ciò attraverso le sue esplorazioni sulle proprietà dei raggi catodici. Thomson fece la sua proposta il 30 aprile 1897 in seguito alla sua scoperta che i raggi catodici, all'epoca noti come raggi di Lenard, potevano viaggiare molto più lontano attraverso l'aria di quanto ci si aspetterebbe per una particella di dimensione atomica. Stimò la massa dei raggi catodici misurando il calore generato quando i raggi colpivano una giunzione termica e confrontando questo con la deflessione magnetica dei raggi. I suoi esperimenti suggerivano non solo che i raggi catodici erano oltre 1.000 volte più leggeri dell'atomo di idrogeno, ma anche che la loro massa era la stessa da qualunque tipo di atomo provenissero. Concluse che i raggi erano composti da particelle molto leggere, cariche negativamente, che erano un blocco costruttivo universale degli atomi. Chiamò le particelle "corpuscoli", ma i successivi scienziati preferivano il nome elettrone, che era stato suggerito da George Johnstone Stoney nel 1891, prima della scoperta effettiva di Thomson.
Ad aprile 1897, Thomson aveva solo indicazioni iniziali che i raggi catodici potessero essere deflessi elettricamente, ricercatori precedenti come Heinrich Hertz avevano pensato che non potessero. Un mese dopo l'annuncio del corpuscolo di Thomson, scoprì che poteva deflettere in modo affidabile i raggi da un campo elettrico se evacuava il tubo di scarica a una pressione molto bassa. Confrontando la deflessione di un fascio di raggi catodici da campi elettrici e magnetici, ottenne misurazioni più robuste del rapporto massa-carica che confermavano le sue stime precedenti. Questo divenne il mezzo classico di misurazione del rapporto carica-massa dell'elettrone. La carica stessa non fu misurata fino all'esperimento della goccia d'olio di Robert A. Millikan nel 1909.
Thomson credeva che i corpuscoli emergessero dagli atomi del gas traccia all'interno dei suoi tubi di raggi catodici. Ha quindi concluso che gli atomi erano divisibili, e che i corpuscoli erano i loro blocchi costruttivi. Nel 1904, Thomson suggerì un modello dell'atomo, ipotizzando che fosse una sfera di materia positiva entro la quale le forze elettrostatiche determinassero il posizionamento dei corpuscoli. Per spiegare la carica complessivamente neutra dell'atomo, propose che i corpuscoli fossero distribuiti in un mare uniforme di carica positiva. In questo "modello di budino alle prugne", gli elettroni erano visti come incorporati nella carica positiva come uva passa in un budino alle prugne, anche se nel modello di Thomson non erano stazionari, ma orbitavano rapidamente.
Thomson fece la scoperta intorno alla stessa epoca in cui Walter Kaufmann e Emil Wiechert scoprirono il corretto rapporto massa-carica di questi raggi catodici elettroni.
Isotopi e spettrometria di massa
Nel 1912, come parte della sua esplorazione nella composizione dei flussi di particelle caricate positivamente allora noti come raggi canali, Thomson e il suo assistente di ricerca F. W. Aston incanalarono un flusso di ioni di neon attraverso un campo magnetico e un campo elettrico e misurarono la sua deflessione posizionando una lastra fotografica nel suo percorso. Osservarono due macchie di luce sulla lastra fotografica vedere immagine a destra, che suggerivano due diverse parabole di deflessione, e conclusero che il neon è composto da atomi di due diverse masse atomiche neon-20 e neon-22, cioè di due isotopi. Questa era la prima evidenza per isotopi di un elemento stabile; Frederick Soddy aveva precedentemente proposto l'esistenza di isotopi per spiegare il decadimento di certi elementi radioattivi.
La separazione dei isotopi del neon per massa di J. J. Thomson è stato il primo esempio di spettrometria di massa, che è stata successivamente migliorata e sviluppata in un metodo generale da F. W. Aston e da A. J. Dempster.
Esperimenti con raggi catodici
In precedenza, i fisici dibatterono se i raggi catodici fossero immateriali come la luce "qualche processo nell'etere" o fossero "in realtà interamente materiali, e ... segnare i percorsi di particelle di materia caricate con elettricità negativa", citando Thomson. L'ipotesi eterica era vaga, ma l'ipotesi delle particelle era abbastanza definitiva perché Thomson la potesse testare.
Deflessione magnetica
Thomson investigò per primo la deflessione magnetica dei raggi catodici. I raggi catodici erano prodotti nel tubo laterale a sinistra dell'apparecchio e passavano attraverso l'anodo nel barattolo campana principale, dove erano deflessi da un magnete. Thomson rilevò il loro percorso dalla fluorescenza su uno schermo quadrettato nel barattolo. Scoprì che indipendentemente dal materiale dell'anodo e dal gas nel barattolo, la deflessione dei raggi era la stessa, suggerendo che i raggi avevano la stessa forma indipendentemente dalla loro origine.
Carica elettrica
Mentre i sostenitori della teoria eterica accettavano la possibilità che particelle caricate negativamente siano prodotte nei tubi di Crookes, Thomson decise di investigare se potesse effettivamente separare la carica dai raggi.
Thomson costruì un tubo di Crookes con un elettrometro posizionato su un lato, fuori dal percorso diretto dei raggi catodici. Thomson poteva tracciare il percorso del raggio osservando la macchia fosforescente che creava dove colpiva la superficie del tubo. Thomson osservò che l'elettrometro registrava una carica solo quando defletteva il raggio catodico verso di esso con un magnete. Ha concluso che la carica negativa e i raggi erano la stessa cosa.
Deflessione elettrica
Nel maggio-giugno 1897, Thomson investigò se i raggi potessero essere deflessi da un campo elettrico. Gli sperimentatori precedenti non avevano osservato questo, ma Thomson credeva che i loro esperimenti fossero difettosi perché i loro tubi contenevano troppo gas.
Thomson costruì un tubo di Crookes con un migliore vuoto. All'inizio del tubo era il catodo da cui i raggi si proiettavano. I raggi erano affinati in un fascio da due fessure metalliche – la prima di queste fessure fungeva anche da anodo, la seconda era collegata a terra. Il fascio passa quindi tra due piastre di alluminio parallele, che producevano un campo elettrico tra loro quando erano collegate a una batteria. La fine del tubo era una grande sfera dove il fascio avrebbe colpito il vetro, creando una macchia luminosa. Thomson incollò una scala sulla superficie di questa sfera per misurare la deflessione del fascio. Qualsiasi e
