Сэр Joseph John Thomson был британским физиком и лауреатом Нобелевской премии по физике, которому приписывается открытие электрона, первой открытой субатомной частицы.
В 1897 году Thomson показал, что катодные лучи состояли из ранее неизвестных отрицательно заряженных частиц, ныне называемых электронами, которые, по его расчётам, должны были иметь размеры намного меньше атомов и очень большое отношение заряда к массе. Thomson также приписывают первые доказательства существования изотопов стабильного нерадиоактивного элемента в 1913 году в рамках его исследования состава положительных ионов каналовых лучей. Его эксперименты по определению природы положительно заряженных частиц в сотрудничестве с Francis William Aston были первым применением масс-спектрометрии и привели к разработке масс-спектрографа.
Thomson была присуждена Нобелевская премия по физике в 1906 году за работу по проводимости электричества в газах.
Образование и личная жизнь
Joseph John Thomson родился 18 декабря 1856 года в Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Англия. Его мать, Emma Swindells, происходила из местной текстильной семьи. Его отец, Joseph James Thomson, управлял антикварным книжным магазином, основанным прадедом Thomson. У него был брат, Frederick Vernon Thomson, который был на два года моложе его. J. J. Thomson был сдержанным, но набожным англиканином.
Его раннее образование получал в небольших частных школах, где он проявил выдающийся талант и интерес к науке. В 1870 году он был принят в Owens College в Manchester, ныне University of Manchester, в необычно молодом возрасте 14 лет. Его родители планировали устроить его учеником инженера на Sharp-Stewart & Co, производителя локомотивов, но эти планы были прерваны смертью его отца в 1873 году.
Он перешёл в Trinity College, Cambridge, в 1876 году. В 1880 году он получил степень Bachelor of Arts по математике Second Wrangler в Tripos и 2nd Smith's Prize. Он подал заявку и стал членом Trinity College в 1881 году. Thomson получил степень Master of Arts с Adams Prize в 1883 году.
Семья
В 1890 году Thomson женился на Rose Elisabeth Paget. Начиная с 1882 года женщины могли посещать демонстрации и лекции в University of Cambridge. Rose Paget, дочь Sir George Edward Paget, врача и
позднее Regius Professor of Physic в Cambridge при церкви St. Mary the Less, была заинтересована физикой. Она посещала демонстрации и лекции, в том числе Thomson. Их отношения развивались отсюда. У них было двое детей: George Paget Thomson, которому также была присуждена Нобелевская премия за работу по волновым свойствам электрона, и Joan Paget Thomson позже Charnock, которая стала автором, писавшей детские книги, научно-популярную литературу и биографии.
Карьера и исследования
Обзор
22 декабря 1884 года Thomson был назначен Cavendish Professor of Physics в University of Cambridge. Назначение вызвало значительное удивление, учитывая, что кандидаты такие как Osborne Reynolds или Richard Glazebrook были старше и имели больший опыт лабораторной работы. Thomson был известен своей работой математика, где он был признан исключительным талантом.
Ему была присуждена Нобелевская премия в 1906 году «в признание выдающихся достоинств его теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества газами». Он был рыцарем в 1908 году и назначен в Order of Merit в 1912 году. В 1914 году он прочитал Romanes Lecture в Oxford на тему «Атомная теория». В 1918 году он стал Master of Trinity College, Cambridge, где оставался до своей смерти. Joseph John Thomson умер 30 августа 1940 года; его прах находится в Westminster Abbey рядом с могилами Sir Isaac Newton и его бывшего ученика Ernest Rutherford.
Одним из величайших вкладов Thomson в современную науку была его роль высокоодарённого учителя. Одним из его студентов был Ernest Rutherford, который позже сменил его на должности Cavendish Professor of Physics. Помимо самого Thomson, шестеро его научных ассистентов Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson и Charles Thomson Rees Wilson получили Нобелевские премии по физике, а двое Francis William Aston и Ernest Rutherford получили Нобелевские премии по химии. Кроме того, сын Thomson George Paget Thomson получил Нобелевскую премию по физике в 1937 году за доказательство волновых свойств электронов.
Ранние работы
Его награждённая работа для степени магистра, Treatise on the motion of vortex rings, показывает его ранний интерес к структуре атома. В ней Thomson математически описал движения теории вихревых атомов William Thomson.
Thomson опубликовал ряд статей, посвящённых как математическим, так и экспериментальным вопросам электромагнетизма. Он исследовал электромагнитную теорию света James Clerk Maxwell, ввёл понятие электромагнитной массы заряженной частицы и продемонстрировал, что движущееся заряженное тело, похоже, увеличится в массе.
Большая часть его работ в области математического моделирования химических процессов может рассматриваться как ранняя вычислительная химия. В дальнейшей работе, опубликованной в виде книги Applications of dynamics to physics and chemistry 1888, Thomson рассмотрел преобразование энергии в математическом и теоретическом смысле, предположив, что вся энергия может быть кинетической. Его следующая книга, Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893, основывалась на Treatise upon electricity and magnetism Maxwell и иногда называлась «третьим томом Maxwell». В ней Thomson подчёркивал физические методы и экспериментирование и включал обширные иллюстрации и диаграммы аппаратуры, включая несколько для прохождения электричества через газы. Его третья книга, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895, была доступным введением в широкий спектр предметов и достигла значительной популярности в качестве учебника.
Серия из четырёх лекций, прочитанных Thomson во время визита в Princeton University в 1896 году, была впоследствии опубликована как Discharge of electricity through gases 1897. Thomson также представил серию из шести лекций в Yale University в 1904 году.
Открытие электрона
Несколько учёных, таких как William Prout и Norman Lockyer, предположили, что атомы построены из более фундаментальной единицы, но они представляли себе эту единицу размером с самый маленький атом, водород. Thomson в 1897 году первым предположил, что одна из фундаментальных единиц была более чем в 1000 раз меньше атома, предположив субатомную частицу, теперь известную как электрон. Thomson открыл это благодаря своим исследованиям свойств катодных лучей. Thomson сделал своё предположение 30 апреля 1897 года после открытия, что катодные лучи, тогда известные как лучи Lenard, могли путешествовать намного дальше через воздух, чем ожидалось для частицы размером с атом. Он оценил массу катодных лучей, измеряя тепло, выделяемое при попадании лучей на тепловой переход, и сравнивая это с магнитным отклонением лучей. Его эксперименты показали не только, что катодные лучи были более чем в 1000 раз легче атома водорода, но также что их масса была одинаковой независимо от того, из какого типа атома они исходили. Он пришёл к выводу, что лучи состояли из очень лёгких, отрицательно заряженных частиц, которые были универсальным строительным блоком атомов. Он назвал частицы «корпускулами», но позднее учёные предпочли название электрон, которое было предложено George Johnstone Stoney в 1891 году, до фактического открытия Thomson.
В апреле 1897 года Thomson имел только ранние указания на то, что катодные лучи могли быть отклонены электрически — предыдущие исследователи, такие как Heinrich Hertz, думали, что они не смогут быть. Через месяц после объявления Thomson о корпускуле он обнаружил, что смог надёжно отклонить лучи электрическим полем, если он эвакуировал разрядную трубку при очень низком давлении. Сравнивая отклонение пучка катодных лучей электрическим и магнитным полями, он получил более надёжные измерения отношения массы к заряду, подтвердившие его предыдущие оценки. Это стало классическим методом измерения отношения заряда к массе электрона. Сам заряд не был измерен до oil drop experiment Robert A. Millikan в 1909 году.
Thomson верил, что корпускулы выходили из атомов газа-следов внутри его катодных лучевых трубок. Таким образом, он пришёл к выводу, что атомы делимы, и что корпускулы были их строительными блоками. В 1904 году Thomson предложил модель атома, предположив, что это сфера положительного вещества, в которой электростатические силы определяли положение корпускул. Чтобы объяснить общий нейтральный заряд атома, он предположил, что корпускулы были распределены в однородном море положительного заряда. В этой модели «сливового пудинга» электроны рассматривались как встроенные в положительный заряд, как изюм в сливовый пудинг, хотя в модели Thomson они не были неподвижными, а быстро вращались.
Thomson сделал открытие примерно в то же время, когда Walter Kaufmann и Emil Wiechert открыли правильное отношение массы к заряду этих катодных лучей электронов.
Изотопы и масс-спектрометрия
В 1912 году в рамках своего исследования состава потоков положительно заряженных частиц, тогда известных как каналовые лучи, Thomson и его научный ассистент F. W. Aston направили поток ионов неона через магнитное и электрическое поле и измерили его отклонение, поместив фотографическую пластину на его пути. Они наблюдали два пятна света на фотографической пластине см. изображение справа, которые предполагали две разные параболы отклонения, и пришли к выводу, что неон состоит из атомов двух разных атомных масс неон-20 и неон-22, то есть двух изотопов. Это были первые доказательства существования изотопов стабильного элемента; Frederick Soddy ранее предложил существование изотопов, чтобы объяснить распад определённых радиоактивных элементов.
Разделение J. J. Thomson изотопов неона по их массе было первым примером масс-спектрометрии, которая впоследствии была улучшена и разработана в общий метод F. W. Aston и A. J. Dempster.
Эксперименты с катодными лучами
Раньше физики спорили, были ли катодные лучи нематериальны, как свет «какой-то процесс в эфире» или были «на самом деле полностью материальны и ... отмечают пути частиц материи, заряженных отрицательным электричеством», цитируя Thomson. Эфирная гипотеза была неопределённой, но гипотеза частиц была достаточно определённой, чтобы Thomson её проверил.
Магнитное отклонение
Thomson сначала исследовал магнитное отклонение катодных лучей. Катодные лучи производились в боковой трубке слева от аппарата и проходили через анод в основной колокол, где они отклонялись магнитом. Thomson обнаружил их путь по флуоресценции на разграфленном экране в колоколе. Он обнаружил, что независимо от материала анода и газа в колоколе, отклонение лучей было одинаковым, предполагая, что лучи были одной формы независимо от их происхождения.
Электрический заряд
Хотя сторонники эфирной теории признали возможность создания отрицательно заряженных частиц в трубках Crookes, Thomson поставил перед собой цель исследовать, мог ли он действительно отделить заряд от лучей.
Thomson построил трубку Crookes с электрометром, установленным сбоку, вне прямого пути катодных лучей. Thomson мог проследить путь луча, наблюдая за люминесцентным пятном, которое он создавал, где он попадал на поверхность трубки. Thomson наблюдал, что электрометр регистрировал заряд только когда он отклонял катодный луч к нему с помощью магнита. Он пришёл к выводу, что отрицательный заряд и лучи были одним и тем же.
Электрическое отклонение
В май-июне 1897 года Thomson исследовал, могли ли лучи быть отклонены электрическим полем. Предыдущие экспериментаторы не смогли наблюдать это, но Thomson верил, что их эксперименты были ошибочны, потому что их трубки содержали слишком много газа.
Thomson построил трубку Crookes с лучшим вакуумом. В начале трубки находился катод, из которого выходили лучи. Лучи были заострены в пучок двумя металлическими щелями — первая из этих щелей удвоила функцию анода, вторая была подключена к земле. Пучок затем прошёл между двумя параллельными алюминиевыми пластинами, которые создавали электрическое поле между ними при подключении к батарее. Конец трубки представлял собой большую сферу, где пучок попадал на стекло, создавая светящееся пятно. Thomson наклеил масштаб на поверхность этой сферы, чтобы измерить отклонение пучка. Любой э
