ジョセフ・ジョン・トムソン卿は、イギリスの物理学者でノーベル物理学賞受賞者であり、最初の素粒子である電子の発見で知られています。
1897年、Thomsonはカソード線が、以前は未知の負に帯電した粒子（現在電子と呼ばれている）で構成されていることを示しました。彼の計算によると、これらの粒子は原子よりもはるかに小さい物体であり、非常に大きな電荷対質量比を持っていました。Thomsonはまた、1913年に安定した非放射性元素の同位体の最初の証拠を発見したことで知られており、これはカナル線陽イオンの組成の探究の一部でした。彼がFrancis William Astonと共に行った正に帯電した粒子の性質を決定するための実験は、質量分析法の最初の使用であり、質量分析計の開発につながりました。
Thomsonは、ガスの電気伝導に関する彼の仕事に対して、1906年のノーベル物理学賞を受賞しました。
教育と個人生活
ジョセフ・ジョン・Thomsonは、1856年12月18日にイギリスのランカシャー州マンチェスターのCheetham Hillで生まれました。彼の母親Emma Swindellsは、地元の繊維産業の一族から来ました。彼の父親Joseph James Thomsonは、Thomsonの高祖父によって創立された古書店を経営していました。彼には、自分より2歳年下の兄弟Frederick Vernon Thomsonがいました。J. J. Thomsonは、控えめでありながら敬虔な聖公会信者でした。
彼の初等教育は、小規模な私立学校で受けました。そこで彼は科学の才能と関心を示しました。1870年に、彼は異常に若い14歳でOwens College（現在のUniversity of Manchester）に入学しました。彼の両親は、機関車製造業者Sharp-Stewart & Co.の見習いエンジニアとして入学させる計画を立てていましたが、1873年に父親が亡くなったときにこれらの計画は中断されました。
彼は1876年にCambridge大学のTrinity Collegeに進学しました。1880年に、彼は数学の学士号（Triposで二番目の成績、Smith賞2位）を取得しました。彼はTrinity Collegeのフェロー職に応募し、1881年にフェローになりました。Thomsonは1883年にAdams賞とともに修士号を取得しました。
家族
1890年、Thomsonはローズ・エリザベス・ペイジェットと結婚しました。1882年から、女性はCambridge大学の実演と講義に参加することができるようになりました。医師であり、その後Cambridge大学の内科学Regius教授であるサー・ジョージ・エドワード・ペイジェットの娘で、St. Mary the Lessの教会でのローズ・ペイジェットは物理学に興味を持っていました。彼女はThomonsonの講義を含む実演と講義に参加しました。彼らの関係はそこから発展しました。彼らは2人の子供を持っていました。電子の波動特性に関する仕事でノーベル賞を受賞したGeorge Paget Thomsonと、後にCharnockとなったJoan Paget Thomsonで、著者となり、児童書、ノンフィクション、伝記を執筆しました。
キャリアと研究
概要
1884年12月22日、Thomsonはcambridge大学のCavendish物理学教授に任命されました。この任命は、Osborne ReynoldsやRichard Glazebrookのような候補者がより年上で、実験室での経験が豊富だったため、かなりの驚きを引き起こしました。Thomsonは数学者としての仕事で知られており、例外的な才能を認識されていました。
彼は1906年にノーベル賞を受賞しました。「ガスによる電気伝導に関する理論的および実験的調査の大きなメリットの認識」として。彼は1908年にナイト爵位を授与され、1912年にOrder of Meritに任命されました。1914年に、彼はオックスフォードで「原子論」に関するRomanes講演を行いました。1918年に、彼はCambridge大学のTrinity Collegeのマスターになり、彼の死まで留まりました。ジョセフ・ジョン・Thomsonは1940年8月30日に亡くなりました。彼の遺灰はWestminster Abbeyに安置されており、サー・アイザック・ニュートンと彼の元学生Ernest Rutherfordの墓の近くにあります。
Thomsonの現代科学への最大の貢献の1つは、非常に才能のある教師としての彼の役割でした。彼の学生の1人はErnest Rutherfordで、後にCavendish物理学教授の後継者になりました。Thomson自身に加えて、彼の6人の研究助手Charles Glover Barkla、Niels Bohr、Max Born、William Henry Bragg、Owen Willans Richardson、Charles Thomson Rees Wilsonはノーベル物理学賞を受賞し、2人のFrancis William AstonとErnest Rutherfordはノーベル化学賞を受賞しました。さらに、Thomsonの息子George Paget Thomsonは、電子の波のような性質を証明したことで1937年のノーベル物理学賞を受賞しました。
初期の仕事
Thomsonの受賞歴のある修士課程の仕事である「渦輪の運動に関する論文」は、原子構造への彼の初期の関心を示しています。その中で、Thomsonはwilliam Thomsonの原子の渦理論の運動を数学的に説明しました。
Thomsonは、電磁気学の数学的および実験的問題に対処するいくつかの論文を発表しました。彼はJames Clerk Maxwellの光の電磁気学理論を調べ、帯電した粒子の電磁質量の概念を導入し、移動する帯電した物体は見かけ上質量が増加することを示しました。
化学プロセスの数学的モデリングの多くの仕事は、初期の計算化学と見なすことができます。さらに仕事は、「物理学と化学への動力学の応用」（1888年）として書籍の形で発表され、Thomsonはエネルギーの変換に数学的および理論的観点から対処し、すべてのエネルギーが運動エネルギーであるかもしれないことを示唆しました。彼の次の書籍「電気と磁気に関する最近の研究に関する注釈」（1893年）はMaxwellの「電気と磁気に関する論文」に基づいており、時々「Maxwellの第3巻」と呼ばれました。その中で、Thomsonは物理的な方法と実験を強調し、装置の広範な図と図を含め、ガスを通る電気の通路のための多くを含めました。彼の3番目の書籍「電気と磁気の数学理論の要素」（1895年）は、幅広い主題への読みやすい入門書であり、教科書として相当な人気を達成しました。
Thomsonが1896年にPrinceton大学への訪問時に行った4つの講義のシリーズは、その後「ガスを通る電気の放電」（1897年）として発表されました。Thomsonはまた1904年にYale大学で6つの講義のシリーズを提示しました。
電子の発見
William ProutやNorman Lockyerなどの数人の科学者は、原子がより基本的な単位から構成されたことを示唆していましたが、彼らはこの単位を最小の原子である水素のサイズであると想像していました。1897年のThomonsonは、基本的な単位の1つが原子よりも1,000倍以上小さいことを示唆した最初の人物であり、現在電子として知られている素粒子を示唆していました。Thomsonはカソード線の特性に関する彼の探究を通じてこれを発見しました。Thomsonは1897年4月30日に彼の提案を行いました。カソード線（当時Lenard線と呼ばれていた）は原子サイズの粒子のために予想されるよりもはるかに遠い空気を通じて移動できることの彼の発見に続きます。彼は、光線が熱接合部に当たったときに生成された熱を測定することによって、光線の質量を推定し、これを光線の磁気的偏向と比較しました。彼の実験は、カソード線が水素原子より1,000倍以上軽いことを示唆しただけでなく、それらの質量が彼らが由来したどんなタイプの原子でも同じであることを示唆していました。彼は、光線が非常に軽く、負に帯電した粒子で構成されていると結論付けました。これは原子の普遍的な構成単位でした。彼は粒子を「小体」と呼びましたが、後の科学者はGeorge Johnstone Stoneyによって1891年に提案された名前である「電子」を好みました。Thomsonの実際の発見の前です。
1897年4月、Thomsonはカソード線が電気的に偏向する可能性があるという初期の兆候のみを持っていました。Heinrich Hertzなどの以前の研究者は、彼らが偏向できないと考えていました。小体の発表の1か月後、彼は放電管を非常に低い圧力に排出した場合、電場によって光線を確実に偏向できることを発見しました。電場と磁場によるカソード線のビームの偏向を比較することにより、彼は彼の以前の推定を確認した質量対電荷比のより堅牢な測定値を得ました。これは電子の電荷対質量比を測定する古典的な手段となりました。電荷自体は、Robert A. Millicanの油滴実験まで測定されませんでした。1909年。
Thomsonは、小体がカソード線管内のトレースガスの原子から出現したと信じていました。したがって、彼は原子が分割可能であり、小体がそれらの構成単位であると結論付けました。1904年、Thomsonは原子の模型を提案し、それが正の物質の球であり、静電力が小体の位置決めを決定することを仮説としました。原子の全体的な中性電荷を説明するために、彼は小体が一様な正電荷の海に分散していることを提案しました。この「プラム・プディング・モデル」では、電子は、プラム・プディングのレーズンのように正電荷に埋め込まれていると見られていました。ただし、Thomsonのモデルではそれらは静止していませんでしたが、急速に公転していました。
Thomsonは、Walter KaufmannとEmil Wiechertがこれらのカソード線電子の正しい質量対電荷比を発見したのとほぼ同じ時期に発見を行いました。
同位体と質量分析
1912年、当時カナル線として知られている正に帯電した粒子のストリームの組成の彼の探究の一部として、Thomsonと彼の研究助手F. W. Astonは、ネオン・イオンのストリームを磁場と電場を通してチャネルし、その偏向を測定しました。その経路に写真乾板を配置することによって。彼らは写真乾板上に2つの光のパッチを観察しました（右の画像を参照）。これは2つの異なる偏向の放物線を示唆し、ネオンが2つの異なる原子質量（ネオン-20とネオン-22）、つまり2つの同位体の原子で構成されていることを結論付けました。これは安定した要素の同位体の最初の証拠でした。Frederick Soddyは以前、特定の放射性要素の崩壊を説明するために同位体の存在を提案していました。
J. J. Thomsonのネオン同位体の質量による分離は、質量分析法の最初の例でした。これは、その後F. W. AstonとA. J. Dempsterによって改善および開発され、一般的な方法になりました。
カソード線を使用した実験
以前は、物理学者はカソード線が光のような非物質的「エーテル内の何らかのプロセス」であるか、「実際には完全に物質的で、...負に帯電した物質の粒子の経路をマークする」かについて議論しました。Thomsonを引用しています。エーテリアル仮説は曖昧でしたが、粒子仮説はThomsonが試験するのに十分明確でした。
磁気偏向
Thomsonは最初にカソード線の磁気偏向を調べました。カソード線は装置の左側のサイドチューブで生成され、陰極をアノードに通され、メインベル瓶に入り、磁石によって偏向されました。Thomsonはジャー内の二乗スクリーンの蛍光によって彼らの経路を検出しました。彼は、アノードの材料とジャー内のガスが何であれ、光線の偏向は同じであることを発見しました。これは、光線がそれらの原点に関係なく同じ形式であったことを示唆しています。
電荷
エーテリアル理論の支持者はCrookes管で負に帯電した粒子が生成される可能性を受け入れながら、Thomsonは、彼が実際に光線から電荷を分離できるかどうかを調査することに着手しました。
Thomsonはエレクトロメーターが設定されたCrookes管を構成しました。カソード線の直接経路から外れています。Thomsonは、光線がチューブの表面に当たったときに作成する蛍光パッチを観察することにより、光線の経路をトレースできました。Thomsonは、エレクトロメーターが、彼が磁石でカソード線をそれに向けたときにのみ電荷を記録したことを観察しました。彼は、負の電荷と光線が同じであると結論付けました。
電気的偏向
1897年5月から6月、Thomsonは光線が電場によって偏向できるかどうかを調査しました。以前の実験者はこれを観察するのに失敗していましたが、Thomsonは彼らのチューブが含まれていたため彼らの実験が欠陥があったと考えていました。多すぎるガスが。
Thomsonは、より良い真空を持つCrookes管を構成しました。チューブの開始時には、光線が投影された陰極がありました。光線は2つの金属スリットによってビームに先端化されました。これらのスリットの最初はアノードを二重にしました。2番目は地球に接続されていました。ビームはその後2つの平行なアルミニウムプレートを通過し、バッテリーに接続されたときにそれらの間に電場を生成しました。チューブの終わりは、ビームがガラスに衝撃を与える大きな球でした。輝く斑点を作成。Thomsonはこの球の表面にスケールを貼り付けて、ビームの偏向を測定しました。いかなる電子
