Sir Joseph John Thomson foi um físico britânico e Laureado do Prêmio Nobel em Física, creditado com a descoberta do elétron, a primeira partícula subatômica a ser descoberta.
Em 1897, Thomson mostrou que os raios catódicos eram compostos de partículas carregadas negativamente anteriormente desconhecidas, agora chamadas de elétrons, que ele calculou devem ter corpos muito menores que os átomos e uma razão carga-massa muito grande. Thomson também é creditado por encontrar as primeiras evidências de isótopos de um elemento estável não-radioativo em 1913, como parte de sua exploração da composição de íons positivos de raios de canal. Seus experimentos para determinar a natureza de partículas carregadas positivamente, com Francis William Aston, foram o primeiro uso de espectrometria de massa e levaram ao desenvolvimento do espectrógrafo de massa.
Thomson recebeu o Prêmio Nobel de Física de 1906 por seu trabalho sobre a condução de eletricidade em gases.
Educação e vida pessoal
Joseph John Thomson nasceu em 18 de dezembro de 1856 em Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Inglaterra. Sua mãe, Emma Swindells, era de uma família local de têxteis. Seu pai, Joseph James Thomson, dirigia uma livraria de antiguidades fundada pelo bisavô de Thomson. Ele tinha um irmão, Frederick Vernon Thomson, que era dois anos mais jovem que ele. J. J. Thomson era uma pessoa reservada mas um anglicano devoto.
Sua educação inicial foi em pequenas escolas privadas onde demonstrou talento excepcional e interesse em ciência. Em 1870, foi admitido no Owens College em Manchester, agora Universidade de Manchester, na idade inusitadamente jovem de 14 anos. Seus pais planejavam inscrevê-lo como aprendiz de engenheiro na Sharp-Stewart & Co, uma fabricante de locomotivas, mas esses planos foram interrompidos quando seu pai morreu em 1873.
Ele se mudou para Trinity College, Cambridge, em 1876. Em 1880, obteve seu grau de Bacharel em Artes em matemática, Second Wrangler no Tripos e 2º Smith's Prize. Ele se candidatou e se tornou Fellow do Trinity College em 1881. Thomson recebeu seu grau de Mestre em Artes com Adams Prize em 1883.
Família
Em 1890, Thomson casou-se com Rose Elisabeth Paget. A partir de 1882, as mulheres podiam assistir a demonstrações e palestras na Universidade de Cambridge. Rose Paget, filha de Sir George Edward Paget, um médico e então Regius Professor de Physic em Cambridge na igreja de St. Mary the Less, tinha interesse em física. Ela assistiu a demonstrações e palestras, entre elas as de Thomson. Seu relacionamento se desenvolveu a partir daí. Eles tiveram dois filhos: George Paget Thomson, que também recebeu um Prêmio Nobel por seu trabalho sobre as propriedades ondulatórias do elétron, e Joan Paget Thomson, mais tarde Charnock, que se tornou autora, escrevendo livros infantis, não-ficção e biografias.
Carreira e pesquisa
Visão geral
Em 22 de dezembro de 1884, Thomson foi nomeado Cavendish Professor de Física na Universidade de Cambridge. A nomeação causou surpresa considerável, dado que candidatos como Osborne Reynolds ou Richard Glazebrook eram mais velhos e mais experientes em trabalho de laboratório. Thomson era conhecido por seu trabalho como matemático, onde era reconhecido como um talento excepcional.
Ele recebeu um Prêmio Nobel em 1906, "em reconhecimento dos grandes méritos de suas investigações teóricas e experimentais sobre a condução de eletricidade por gases." Ele foi nomeado cavaleiro em 1908 e nomeado para a Ordem do Mérito em 1912. Em 1914, apresentou a Romanes Lecture em Oxford sobre "A teoria atômica". Em 1918, tornou-se Mestre do Trinity College, Cambridge, onde permaneceu até sua morte. Joseph John Thomson morreu em 30 de agosto de 1940; suas cinzas repousam na Westminster Abbey, perto dos túmulos de Sir Isaac Newton e seu ex-aluno, Ernest Rutherford.
Uma das maiores contribuições de Thomson para a ciência moderna foi em seu papel como um professor altamente talentoso. Um de seus alunos foi Ernest Rutherford, que mais tarde o sucedeu como Cavendish Professor de Física. Além do próprio Thomson, seis de seus assistentes de pesquisa - Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson e Charles Thomson Rees Wilson - ganharam Prêmios Nobel em Física, e dois - Francis William Aston e Ernest Rutherford - ganharam prêmios Nobel em Química. Além disso, o filho de Thomson, George Paget Thomson, ganhou o Prêmio Nobel de Física de 1937 por provar as propriedades ondulatórias dos elétrons.
Trabalho inicial
O trabalho de mestrado premiado de Thomson, Treatise on the motion of vortex rings, mostra seu interesse inicial em estrutura atômica. Nele, Thomson descreveu matematicamente os movimentos da teoria do vórtice de William Thomson sobre átomos.
Thomson publicou vários artigos abordando questões tanto matemáticas quanto experimentais do eletromagnetismo. Ele examinou a teoria eletromagnética da luz de James Clerk Maxwell, introduziu o conceito de massa eletromagnética de uma partícula carregada e demonstrou que um corpo carregado em movimento aparentemente aumentaria em massa.
Muito de seu trabalho em modelagem matemática de processos químicos pode ser considerado como química computacional inicial. Em trabalho posterior, publicado em forma de livro como Applications of dynamics to physics and chemistry (1888), Thomson abordou a transformação de energia em termos matemáticos e teóricos, sugerindo que toda energia poderia ser cinética. Seu próximo livro, Notes on recent researches in electricity and magnetism (1893), se baseou no Treatise upon electricity and magnetism de Maxwell, e às vezes era chamado de "o terceiro volume de Maxwell". Nele, Thomson enfatizou métodos físicos e experimentação e incluiu figuras e diagramas extensos de aparelhos, incluindo vários para a passagem de eletricidade através de gases. Seu terceiro livro, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (1895), foi uma introdução legível para uma ampla variedade de tópicos e alcançou considerável popularidade como livro-texto.
Uma série de quatro palestras, dadas por Thomson em uma visita à Universidade de Princeton em 1896, foram posteriormente publicadas como Discharge of electricity through gases (1897). Thomson também apresentou uma série de seis palestras na Universidade de Yale em 1904.
Descoberta do elétron
Vários cientistas, como William Prout e Norman Lockyer, sugeriram que os átomos foram construídos a partir de uma unidade mais fundamental, mas eles imaginavam essa unidade ser do tamanho do menor átomo, o hidrogênio. Thomson em 1897 foi o primeiro a sugerir que uma das unidades fundamentais era mais de 1.000 vezes menor que um átomo, sugerindo a partícula subatômica agora conhecida como elétron. Thomson descobriu isso através de suas explorações sobre as propriedades dos raios catódicos. Thomson fez sua sugestão em 30 de abril de 1897 após sua descoberta de que os raios catódicos, na época conhecidos como raios de Lenard, podiam viajar muito mais longe através do ar do que o esperado para uma partícula do tamanho de um átomo. Ele estimou a massa dos raios catódicos medindo o calor gerado quando os raios atingem uma junção térmica e comparando isso com a deflexão magnética dos raios. Seus experimentos sugeriram não apenas que os raios catódicos eram mais de 1.000 vezes mais leves que o átomo de hidrogênio, mas também que sua massa era a mesma, qualquer que fosse o tipo de átomo do qual viessem. Ele concluiu que os raios eram compostos de partículas muito leves, carregadas negativamente, que eram um bloco de construção universal de átomos. Ele chamou as partículas de "corpúsculos", mas cientistas posteriores preferiram o nome elétron, que havia sido sugerido por George Johnstone Stoney em 1891, antes da descoberta real de Thomson.
Em abril de 1897, Thomson tinha apenas indicações iniciais de que os raios catódicos poderiam ser desviados eletricamente - investigadores anteriores, como Heinrich Hertz, acreditavam que não podiam ser. Um mês após o anúncio do corpúsculo por Thomson, ele descobriu que podia desvia os raios de forma confiável por um campo elétrico se evacuasse o tubo de descarga para uma pressão muito baixa. Comparando a deflexão de um feixe de raios catódicos por campos elétricos e magnéticos, ele obteve medições mais robustas da razão massa-carga que confirmaram suas estimativas anteriores. Isso se tornou o meio clássico de medir a razão carga-massa do elétron. A carga em si não foi medida até o experimento da gota de óleo de Robert A. Millikan em 1909.
Thomson acreditava que os corpúsculos emergiam dos átomos do gás traço dentro de seus tubos de raios catódicos. Ele, portanto, concluiu que os átomos eram divisíveis e que os corpúsculos eram seus blocos de construção. Em 1904, Thomson sugeriu um modelo do átomo, hipotetizando que era uma esfera de matéria positiva dentro da qual as forças eletrostáticas determinavam o posicionamento dos corpúsculos. Para explicar a carga global neutra do átomo, ele propôs que os corpúsculos fossem distribuídos em um mar uniforme de carga positiva. Neste "modelo de pudim de ameixa", os elétrons eram vistos como embutidos na carga positiva como passa em um pudim de ameixa, embora no modelo de Thomson eles não fossem estacionários, mas orbitando rapidamente.
Thomson fez a descoberta aproximadamente na mesma época em que Walter Kaufmann e Emil Wiechert descobriram a razão massa-carga correta desses elétrons de raios catódicos.
Isótopos e espectrometria de massa
Em 1912, como parte de sua exploração da composição dos fluxos de partículas carregadas positivamente, então conhecidas como raios de canal, Thomson e seu assistente de pesquisa F. W. Aston canalizaram um fluxo de íons de neônio através de um campo magnético e elétrico e mediram sua deflexão colocando uma placa fotográfica em seu caminho. Eles observaram dois manchas de luz na placa fotográfica - veja a imagem à direita - o que sugeriu duas parábolas diferentes de deflexão, e concluíram que o neônio é composto de átomos de duas massas atômicas diferentes - neônio-20 e neônio-22, ou seja, de dois isótopos. Esta foi a primeira evidência de isótopos de um elemento estável; Frederick Soddy havia proposto previamente a existência de isótopos para explicar a decadência de certos elementos radioativos.
A separação de isótopos de neônio de J. J. Thomson por sua massa foi o primeiro exemplo de espectrometria de massa, que foi posteriormente melhorado e desenvolvido em um método geral por F. W. Aston e por A. J. Dempster.
Experimentos com raios catódicos
Anteriormente, os físicos debatiam se os raios catódicos eram imateriais como a luz - "algum processo no éter" - ou eram "de fato totalmente materiais, e ... marcam os caminhos de partículas de matéria carregadas com eletricidade negativa", citando Thomson. A hipótese etérea era vaga, mas a hipótese de partícula era definida o suficiente para Thomson testar.
Deflexão magnética
Thomson primeiro investigou a deflexão magnética dos raios catódicos. Os raios catódicos foram produzidos no tubo lateral à esquerda do aparelho e passaram pelo ânodo para o frasco principal, onde foram desviados por um ímã. Thomson detectou seu caminho pela fluorescência em uma tela quadriculada no frasco. Ele descobriu que, qualquer que fosse o material do ânodo e o gás no frasco, a deflexão dos raios era a mesma, sugerindo que os raios eram da mesma forma, qualquer que fosse sua origem.
Carga elétrica
Enquanto os apoiadores da teoria etérea aceitavam a possibilidade de que partículas carregadas negativamente fossem produzidas em tubos de Crookes, Thomson se propôs a investigar se ele conseguia ou não separar a carga dos raios.
Thomson construiu um tubo de Crookes com um eletrômetro colocado para um lado, fora do caminho direto dos raios catódicos. Thomson conseguia traçar o caminho do raio observando a mancha fosforescente que criava onde atingia a superfície do tubo. Thomson observou que o eletrômetro registrava uma carga apenas quando ele desviava o raio catódico para ele com um ímã. Ele concluiu que a carga negativa e os raios eram uma e a mesma coisa.
Deflexão elétrica
Em maio-junho de 1897, Thomson investigou se os raios poderiam ser desviados por um campo elétrico. Experimentadores anteriores falharam em observar isso, mas Thomson acreditava que seus experimentos eram falhos porque seus tubos continham muito gás.
Thomson construiu um tubo de Crookes com um vácuo melhor. No início do tubo estava o cátodo do qual os raios se projetavam. Os raios foram afilados para um feixe por duas fendas de metal - a primeira delas funcionava como ânodo, a segunda estava conectada à terra. O feixe então passava entre duas placas de alumínio paralelas, que produziam um campo elétrico entre elas quando estavam conectadas a uma bateria. O final do tubo era uma esfera grande onde o feixe impactaria no vidro, criando uma mancha brilhante. Thomson colou uma escala à superfície desta esfera para medir a deflexão do feixe. Qualquer e
