조지프 존 톰슨 경은 영국의 물리학자이자 노벨 물리학상 수상자로, 첫 번째 아원자 입자인 전자의 발견으로 인정받고 있습니다.
1897년에 톰슨은 음극선이 이전에 알려지지 않은 음전하를 띤 입자(현재는 전자라고 불림)로 구성되어 있음을 보였으며, 이 입자들은 원자보다 훨씬 작은 몸체와 매우 큰 전하 대 질량 비를 가져야 한다고 계산했습니다. 톰슨은 또한 1913년 양극선의 양이온 구성에 대한 탐구의 일환으로 안정적인 비방사성 원소의 동위원소에 대한 첫 번째 증거를 찾은 것으로 인정받고 있습니다. Francis William Aston과 함께 양전하 입자의 성질을 결정하기 위한 그의 실험은 질량 분석법의 첫 번째 사용이었으며 질량 분석계의 개발로 이어졌습니다.
톰슨은 기체의 전도 작업으로 1906년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
교육 및 개인생활
조지프 존 톰슨은 1856년 12월 18일 영국 랭커셔 맨체스터의 Cheetham Hill에서 태어났습니다. 그의 어머니 Emma Swindells는 지역의 방직 가족에서 나왔습니다. 그의 아버지 Joseph James Thomson은 톰슨의 증조할아버지가 설립한 고서점을 운영했습니다. 그는 Frederick Vernon Thomson이라는 형제가 있었으며, 그는 그보다 2살 어렸습니다. J. J. 톰슨은 예약적이지만 독실한 성공회 신자였습니다.
그의 초등 교육은 과학에 뛰어난 재능과 관심을 보인 작은 사립학교에서 받았습니다. 1870년에 그는 현재 Manchester 대학교인 Owens College Manchester에 14세의 이상하게 어린 나이에 입학했습니다. 그의 부모는 기관차 제조업체인 Sharp-Stewart & Co의 견습 엔지니어로 입학할 계획이었지만, 1873년 그의 아버지가 사망하면서 이 계획은 중단되었습니다.
그는 1876년 Cambridge의 Trinity College로 옮겼습니다. 1880년에 그는 수학 학사 학위(Tripos에서 Second Wrangler, 2nd Smith's Prize)를 취득했습니다. 그는 1881년 Trinity College의 Fellow가 되기 위해 지원했습니다. 톰슨은 1883년 Adams Prize와 함께 Master of Arts 학위를 취득했습니다.
가족
1890년에 톰슨은 Rose Elisabeth Paget과 결혼했습니다. 1882년부터 여성들은 Cambridge 대학교의 시연과 강의에 참석할 수 있었습니다. 의사이자 Cambridge의 Regius Professor of Physic이었던 Sir George Edward Paget의 딸인 Rose Paget은 St. Mary the Less 교회에서 물리학에 관심이 있었습니다. 그녀는 톰슨의 강의를 포함한 시연과 강의에 참석했습니다. 그들의 관계는 거기서부터 발전했습니다. 그들은 두 명의 자녀를 두었습니다: George Paget Thomson은 전자의 파동 성질에 대한 작업으로 노벨상을 수상했으며, Joan Paget Thomson(나중에 Charnock)은 아동 도서, 논픽션 및 전기를 저술한 저자가 되었습니다.
경력 및 연구
개요
1884년 12월 22일에 톰슨은 Cambridge 대학교의 Cavendish 물리학 교수로 임명되었습니다. 이 임명은 Osborne Reynolds나 Richard Glazebrook 같은 후보자가 더 나이가 많고 실험실 작업에서 더 경험이 많았기 때문에 상당한 놀라움을 야기했습니다. 톰슨은 수학자로서의 작업으로 알려져 있었으며, 예외적인 재능으로 인정받았습니다.
그는 1906년 노벨상을 수상했으며, "기체에 의한 전기 전도에 관한 뛰어난 이론적 및 실험적 조사의 위대한 공로로 인정받았습니다." 그는 1908년에 기사 작위를 받았고 1912년에 Merit Order에 임명되었습니다. 1914년에 그는 Oxford에서 "원자 이론"에 관한 Romanes 강연을 했습니다. 1918년에 그는 Cambridge의 Trinity College 석사가 되었으며, 그의 사망까지 남아있었습니다. 조지프 존 톰슨은 1940년 8월 30일에 사망했으며, 그의 유골은 Westminster Abbey에 있으며, Sir Isaac Newton과 그의 전 학생 Ernest Rutherford의 묘지 근처에 있습니다.
톰슨의 현대 과학에 대한 가장 큰 기여 중 하나는 매우 재능있는 교사로서의 역할이었습니다. 그의 학생 중 한 명은 나중에 Cavendish 물리학 교수로 그를 계승한 Ernest Rutherford였습니다. 톰슨 자신 외에도 그의 6명의 연구 보조원 Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson 및 Charles Thomson Rees Wilson이 물리학에서 노벨상을 수상했으며, 2명 Francis William Aston과 Ernest Rutherford는 화학에서 노벨상을 수상했습니다. 또한 톰슨의 아들 George Paget Thomson은 전자의 파동 같은 특성을 증명한 것으로 1937년 물리학 노벨상을 수상했습니다.
초기 작업
톰슨의 상을 받은 석사 작업인 "Treatise on the motion of vortex rings"는 원자 구조에 대한 그의 초기 관심을 보여줍니다. 그것에서 톰슨은 수학적으로 William Thomson의 원자에 대한 소용돌이 이론의 동작을 설명했습니다.
톰슨은 전자기학의 수학적 및 실험적 문제를 다루는 많은 논문을 발표했습니다. 그는 James Clerk Maxwell의 광의 전자기 이론을 검토했으며, 하전 입자의 전자기 질량 개념을 도입했으며, 움직이는 하전 체가 질량이 증가하는 것처럼 보일 것임을 보였습니다.
화학 과정의 수학적 모델링에 대한 그의 많은 작업은 초기 계산 화학으로 간주될 수 있습니다. 추가 작업에서 책 형태로 발표된 "Applications of dynamics to physics and chemistry 1888"에서 톰슨은 에너지의 변환을 수학적 및 이론적 용어로 다루었으며, 모든 에너지가 운동 에너지일 수 있음을 시사했습니다. 그의 다음 책 "Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893"은 Maxwell의 "Treatise upon electricity and magnetism"을 기반으로 했으며, 때때로 "Maxwell의 제3권"이라고 불렸습니다. 그것에서 톰슨은 물리적 방법과 실험을 강조했으며 기체를 통한 전기의 통로를 포함한 장치의 광범위한 그림과 다이어그램을 포함했습니다. 그의 세 번째 책 "Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895"는 다양한 주제에 대한 읽기 쉬운 소개였으며 교과서로서 상당한 인기를 얻었습니다.
1896년 Princeton 대학교 방문 중 톰슨이 한 4개의 강연 시리즈는 나중에 "Discharge of electricity through gases 1897"로 발표되었습니다. 톰슨은 또한 1904년 Yale 대학교에서 6개의 강연 시리즈를 제시했습니다.
전자의 발견
William Prout 및 Norman Lockyer와 같은 여러 과학자들은 원자가 보다 기본적인 단위로 구성되어 있다고 제안했지만, 그들은 이 단위가 가장 작은 원자인 수소의 크기일 것으로 생각했습니다. 톰슨은 1897년에 기본 단위 중 하나가 원자보다 1,000배 이상 작다고 제안한 최초의 사람이었으며, 현재 전자로 알려진 아원자 입자를 시사했습니다. 톰슨은 음극선의 특성에 대한 탐구를 통해 이를 발견했습니다. 톰슨은 당시 Lenard 광선으로 알려진 음극선이 원자 크기 입자에 예상되는 것보다 훨씬 더 멀리 공기를 통과할 수 있다는 발견 이후인 1897년 4월 30일에 이 제안을 했습니다. 그는 광선이 열 접합부에 부딪힐 때 생성된 열을 측정하고 이를 광선의 자기 편향과 비교하여 음극선의 질량을 추정했습니다. 그의 실험은 음극선이 수소 원자보다 1,000배 이상 가볍다는 것뿐만 아니라, 그들의 질량이 어떤 유형의 원자에서 나왔든 동일하다는 것을 시사했습니다. 그는 그 광선이 매우 가벼운 음전하 입자로 구성되어 있다고 결론지었으며, 이는 원자의 보편적인 구성 단위였습니다. 그는 입자를 "corpuscles"라고 불렀지만, 나중의 과학자들은 1891년 George Johnstone Stoney가 제안한 이름인 전자를 선호했으며, 이는 톰슨의 실제 발견에 앞서 있었습니다.
1897년 4월에 톰슨은 음극선이 전기적으로 편향될 수 있다는 초기 징후만 있었습니다. 이전 조사자들(Heinrich Hertz 등)은 그들이 편향될 수 없다고 생각했습니다. corpuscle의 톰슨의 발표 1개월 후, 그는 방전 튜브를 매우 낮은 압력으로 배기하면 전기장으로 광선을 안정적으로 편향시킬 수 있음을 발견했습니다. 그는 전기 및 자기장으로 음극선 빔의 편향을 비교함으로써 그의 이전 추정을 확인한 보다 강력한 질량 대 전하 비 측정을 얻었습니다. 이것은 전자의 전하 대 질량 비를 측정하는 고전적인 수단이 되었습니다. 전하 자체는 1909년 Robert A. Millikan의 유적 실험까지 측정되지 않았습니다.
톰슨은 corpuscle이 그의 음극선 튜브 내부의 추적 가스의 원자에서 나온다고 믿었습니다. 따라서 그는 원자가 나누어질 수 있으며, corpuscle이 그들의 구성 요소라고 결론지었습니다. 1904년에 톰슨은 원자의 모델을 제안했으며, 그것이 정전기력이 corpuscle의 위치를 결정하는 양의 물질의 구이라고 가정했습니다. 원자의 전체 중성 전하를 설명하기 위해 그는 corpuscle이 균일한 양전하 바다에 분포되어 있다고 제안했습니다. 이 "자두 푸딩 모델"에서 전자는 자두 푸딩의 건포도처럼 양전하에 내장된 것으로 보였으나, 톰슨의 모델에서는 정지하지 않았지만 빠르게 공전했습니다.
톰슨은 Walter Kaufmann과 Emil Wiechert가 이러한 음극선 전자의 올바른 질량 대 전하 비를 발견한 것과 같은 시간 주변에서 발견을 했습니다.
동위원소 및 질량 분석계
1912년에 당시 양극선으로 알려진 양전하 입자 흐름의 구성에 대한 탐구의 일환으로, 톰슨과 그의 연구 보조원 F. W. Aston은 네온 이온 흐름을 자기 및 전기장을 통해 채널링했으며, 그들의 편향을 그들의 경로에 사진 필름을 놓음으로써 측정했습니다. 그들은 사진 필름 위에 두 개의 빛 패치를 관찰했으며(오른쪽 이미지 참조), 이는 편향의 두 가지 다른 포물선을 시사했으며, 네온은 두 가지 다른 원자 질량의 원자(네온-20 및 네온-22)로 구성되어 있다고 결론지었습니다. 즉, 두 동위원소입니다. 이는 안정 원소의 동위원소에 대한 첫 번째 증거였습니다. Frederick Soddy는 이전에 특정 방사성 원소의 붕괴를 설명하기 위해 동위원소의 존재를 제안했습니다.
J. J. 톰슨의 질량별 네온 동위원소 분리는 질량 분석계의 첫 번째 예였으며, 나중에 F. W. Aston과 A. J. Dempster에 의해 개선되고 일반적인 방법으로 개발되었습니다.
음극선 실험
앞서 물리학자들은 음극선이 빛처럼 비물질적("에테르의 일부 과정") 또는 "사실상 완전히 물질이며 ... 음의 전기로 하전된 물질 입자의 경로를 표시한다"는 톰슨의 인용구인지 논쟁했습니다. 에테르 가설은 모호했지만, 입자 가설은 톰슨이 테스트할 수 있을 만큼 충분히 명확했습니다.
자기 편향
톰슨은 먼저 음극선의 자기 편향을 조사했습니다. 음극선은 왼쪽의 측면 튜브에서 생성되었고 양극을 통해 주요 종 모양의 항아리로 통과했으며, 자석으로 편향되었습니다. 톰슨은 항아리의 제곱 화면에 형광으로 그들의 경로를 감지했습니다. 그는 양극의 물질과 항아리의 가스가 무엇이든 광선의 편향이 동일하다는 것을 발견했으며, 광선의 기원이 무엇이든 그들이 같은 형태였음을 시사합니다.
전기 전하
에테르 이론의 지지자들은 음전하 입자가 Crookes 튜브에서 생성될 가능성을 받아들였지만, 톰슨은 그가 실제로 광선으로부터 전하를 분리할 수 있는지 여부를 조사하기로 결정했습니다.
톰슨은 음극선의 직접 경로를 벗어나 한쪽에 설정된 전기계를 갖춘 Crookes 튜브를 구성했습니다. 톰슨은 그것이 튜브 표면에 부딪힌 곳에서 생성한 형광 패치를 관찰함으로써 광선의 경로를 추적할 수 있었습니다. 톰슨은 그가 자석으로 음극선을 편향시킬 때만 전기계가 전하를 등록했음을 관찰했습니다. 그는 음전하와 광선이 하나이고 같다고 결론지었습니다.
전기 편향
1897년 5월-6월에 톰슨은 광선이 전기장으로 편향될 수 있는지 여부를 조사했습니다. 이전의 실험자들은 이를 관찰하는 데 실패했지만, 톰슨은 그들의 튜브에 너무 많은 가스가 포함되어 있기 때문에 그들의 실험이 결함이 있다고 믿었습니다.
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