Sir Joseph John Thomson, Britanyalı bir fizikçi ve Fizik alanında Nobel ödülü sahibiydi ve elektronun keşfinden kredilendirilir, bu ilk keşfedilen subatomik parçacıktır.
1897'de Thomson, katot ışınlarının daha önce bilinmeyen negatif yüklü parçacıklardan oluştuğunu gösterdi; bunlara artık elektronlar denir ve bu parçacıkların atomlardan çok daha küçük cisimler ve çok büyük bir yük-kütle oranına sahip olması gerektiğini hesapladı. Thomson ayrıca 1913'te kanal ışınları pozitif iyonlarının bileşimini araştırmasının bir parçası olarak, kararlı radyoaktif olmayan bir elementin ilk izotop kanıtını bulduğu için kredilendirilir. Pozitif yüklü parçacıkların doğasını belirlemek için Francis William Aston ile yaptığı deneyler, kütlesel spektrometri'nin ilk kullanımı oldu ve kütle spektrografının geliştirilmesine yol açtı.
Thomson, gazlarda elektrik iletim çalışması için 1906 Fizik Nobel Ödülü'ne layık görüldü.
Eğitim ve kişisel hayat
Joseph John Thomson, 18 Aralık 1856'de Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, İngiltere'de doğdu. Annesi Emma Swindells, yerel bir tekstil ailesinden geliyordu. Babası Joseph James Thomson, Thomson'un büyük dedesi tarafından kurulan eski kitap dükkanını işletiyordu. İki yaş daha genç olan Frederick Vernon Thomson adında bir kardeşi vardı. J. J. Thomson sakin ancak dindar bir Anglikan'dı.
Erken eğitimi, bilime karşı olağanüstü yetenek ve ilgi gösterdiği küçük özel okullarda aldı. 1870'te, olağandışı şekilde genç 14 yaşında Manchester'daki Owens College'a (şu anda Manchester Üniversitesi) kabul edildi. Ebeveynleri onu, lokomotif üreticisi Sharp-Stewart & Co'ya çırak mühendis olarak kaydetmeyi planladı, ancak babası 1873'te öldüğünde bu planlar kısaltıldı.
1876'da Trinity College, Cambridge'e geçti. 1880'de matematik alanında Bachelor of Arts derecesini (Tripos'ta İkinci Wrangler ve 2. Smith Ödülü) aldı. Trinity College'da 1881'de bir Fellow olması için başvurdu ve kabul edildi. Thomson, 1883'te Adams Ödülü ile Master of Arts derecesini aldı.
Aile
1890'da Thomson, Rose Elisabeth Paget ile evlendi. 1882'den itibaren, Cambridge Üniversitesi'nde kadınlar demonstrasyonlara ve derslere katılabiliyordu. Doktor olan Sir George Edward Paget'in kızı Rose Paget, daha sonra Cambridge'deki Physic'in Regius Professörü, St. Mary the Less kilisesinde fizikle ilgiliydi. Demonstrasyonlara ve derslere, aralarında Thomson'un dersleri de olmak üzere katıldı. İlişkileri oradan gelişti. İki çocukları vardı: elektronun dalga özellikleri üzerine yaptığı çalışmalar için Nobel Ödülü'ne layık görülen George Paget Thomson ve çocuk kitapları, kurgusal olmayan eserler ve biyografiler yazan yazar olan Joan Paget Thomson (daha sonra Charnock).
Kariyer ve araştırma
Genel bakış
22 Aralık 1884'te Thomson, Cambridge Üniversitesi'nde Cavendish Fizik Profesörü olarak atandı. Bu atama, Osborne Reynolds veya Richard Glazebrook gibi adayların daha yaşlı ve laboratuvar çalışmasında daha deneyimli olduğu göz önüne alındığında, oldukça şaşırtıcıydı. Thomson, matematikçi olarak yaptığı çalışmalarla biliniyordu ve burada olağanüstü bir yetenek olarak tanınmıştı.
1906'da, "gazlarda elektrik iletim üzerine yaptığı teorik ve deneysel araştırmaların büyük hizmetlerine karşılık" Nobel Ödülü'ne layık görüldü. 1908'de şövalye unvanı aldı ve 1912'de Merit Nizamı'na atandı. 1914'te Oxford'da "Atom teorisi" hakkında Romanes Dersleri'ni verdi. 1918'de Trinity College, Cambridge'in Master'ı oldu ve ölümüne kadar bu görevini sürdürdü. Joseph John Thomson, 30 Ağustos 1940'ta öldü; külü, Sir Isaac Newton ve eski öğrencisi Ernest Rutherford'un mezarlarının yanında Westminster Abbey'de dinlenmektedir.
Thomson'un modern bilime yaptığı en büyük katkılarından biri, yüksek yetenekli bir öğretmen olarak oynadığı roldü. Öğrencilerinden biri Ernest Rutherford'du ve daha sonra Cavendish Fizik Profesörü olarak onun yerine geçti. Thomson'un kendisine ek olarak, altı araştırma asistanı - Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson ve Charles Thomson Rees Wilson - fizik alanında Nobel Ödülü'ne layık görüldü ve iki kişi - Francis William Aston ve Ernest Rutherford - kimya alanında Nobel ödülü kazandı. Buna ek olarak, Thomson'un oğlu George Paget Thomson, elektronların dalga benzeri özelliklerini kanıtladığı için 1937 Fizik Nobel Ödülü'nü kazandı.
Erken çalışmalar
Thomson'un ödülü kazanan master çalışması, "Girdap halkalarının hareketi Üzerine Inceleme", atom yapısına karşı erken ilgisini gösterir. Bunda Thomson, William Thomson'un atom girdap teorisinin hareketlerini matematiksel olarak tanımladı.
Thomson, elektromanyetizmin hem matematiksel hem de deneysel sorunlarını ele alan çok sayıda makaleler yayınladı. James Clerk Maxwell'in ışığın elektromanyetik teorisini inceledi, yüklü bir parçacığın elektromanyetik kütlesi kavramını tanıttı ve hareket eden yüklü bir cismin görünüşte kütlesi arttığını gösterdi.
Kimyasal süreçlerin matematiksel modellemesi konusundaki çalışmalarının çoğu, erken hesaplamalı kimya olarak düşünülebilir. İleriki çalışmalarda, "Fiziğe ve Kimyaya Dinamiğin Uygulamaları 1888" adlı kitap biçiminde yayımlandı; Thomson, enerji dönüşümünü matematiksel ve teorik terimlerle ele aldı, tüm enerjinin kinetik olabileceğini önerdi. Sonraki kitabı, "Elektrik ve Manyetizmdeki Son Araştırmalar Üzerine Notlar 1893", Maxwell'in "Elektrik ve Manyetizm Üzerine İnceleme"sinin üzerine inşa edildi ve bazen "Maxwell'in üçüncü cildi" olarak adlandırıldı. Bunda Thomson, fiziksel yöntemleri ve deneyimi vurguladı ve cihazların kapsamlı şekilleri ve diyagramlarını, bunun yanı sıra gazlar aracılığıyla elektrik geçişi için birçok diyagram eklemişti. Üçüncü kitabı, "Elektrik ve Manyetizmin Matematiksel Teorisinin Öğeleri 1895", çok çeşitli konulara okunması kolay bir giriş oldu ve bir ders kitabı olarak önemli ölçüde popülarite kazandı.
1896'da Princeton Üniversitesi'ne yaptığı bir ziyarette Thomson tarafından verilen dört dersten oluşan bir seri, daha sonra "Gazlar Aracılığıyla Elektriğin Deşarjı 1897" adıyla yayımlandı. Thomson ayrıca 1904'te Yale Üniversitesi'nde altı dersten oluşan bir dizi sundu.
Elektronun keşfi
William Prout ve Norman Lockyer gibi birkaç bilimci, atomların daha temel bir birimden oluştuğunu önermiş, ancak bu birimi en küçük atom olan hidrojeni boyutunda düşünmüşlerdir. Thomson, 1897'de, temel birimlerden birinin atomdan 1000 kez daha küçük olduğunu ve şu anda elektron olarak bilinen subatomik parçacığı önerdi. Thomson bunu katot ışınlarının özelliğine ilişkin araştırmaları aracılığıyla keşfetti. Thomson, 30 Nisan 1897'de katot ışınlarının (o zamanlar Lenard ışınları olarak biliniyordu) atom boyutlu parçacık için beklenenden çok daha uzağa hava içinde seyahat edebileceğini keşfettikten sonra bu önerisini ileri sürdü. Işınlar hava içinde termal bir kavşağa çarptığında üretilen ısıyı ölçerek ve bunu ışınların manyetik sapmasıyla karşılaştırarak katot ışınlarının kütlesini tahmin etti. Deneyleri yalnızca katot ışınlarının hidrojen atomundan 1000 kez daha hafif olduğunu göstermekle kalmadı, aynı zamanda kütlelerinin hangi atom türünden geldiklerinden bağımsız olarak aynı olduğunu da gösterdi. Işınların, atomların evrensel bir yapı taşı olan çok hafif, negatif yüklü parçacıklardan oluştuğu sonucuna vardı. Parçacıklara "corpuscle" adını verdi, ancak daha sonraki bilimciler 1891'de George Johnstone Stoney tarafından önerilen ve Thomson'un asıl keşfinden önce önerilen electron adını tercih ettiler.
Nisan 1897'de Thomson, katot ışınlarının elektrik olarak saptırılabilecek konusunda yalnızca erken göstergeler vardı; Heinrich Hertz gibi önceki araştırmacılar saptırılamayacağını düşünmüşlerdir. Thomson'un corpuscule duyurusundan bir ay sonra, deşarj tüpünü çok düşük basınca boşalttığında ışınları elektrik alan tarafından güvenilir bir şekilde saptırabileceğini buldu. Katot ışınları ışınının elektrik ve manyetik alanlar tarafından sapmasını karşılaştırarak, önceki tahminlerini teyit eden daha sağlam kütleye yükleme oranı ölçümleri elde etti. Bu, elektronun yüke-kütle oranını ölçmenin klasik yöntemi haline geldi. Yükün kendisi 1909'da Robert A. Millikan'ın yağ damlası deneyine kadar ölçülmedi.
Thomson, corpuscule'lerin katot ışını tüplerindeki iz gaz atomlarından ortaya çıktığına inanıyordu. Böylece atomların bölünebilir olduğu ve corpuscule'lerin onların yapı taşları olduğu sonucuna vardı. 1904'te Thomson, bunun bir küre olduğunu ve bunun içinde elektrostatik kuvvetlerin corpuscule'lerin konumlandırılmasını belirleyen pozitif madde olduğunu varsayarak, atom modelini önerdi. Atomun genel nötr yükünü açıklamak için, corpuscule'lerin düzgün bir pozitif yük denizinde dağıtıldığını önerdi. Bu "plum pudding modeli"nde, elektronlar tıpkı bir plum pudding içinde kuru üzüm gibi pozitif yükte gömülü görülüyordu; ancak Thomson'un modelinde hareketsiz değil, hızlı bir şekilde yörüngede hareket ediyorlardı.
Thomson, keşfi, Walter Kaufmann ve Emil Wiechert'in bu katot ışınları (elektronları) doğru kütleye yükleme oranını keşfettikleri zaman civarında yaptı.
İzotoplar ve kütle spektrometresi
1912'de, pozitif yüklü parçacık akışlarının (o zamanlar kanal ışınları olarak bilinen) bileşimini araştırma çalışmasının bir parçası olarak Thomson ve araştırma asistanı F. W. Aston, neon iyonlarının bir akışını manyetik ve elektrik alanı içinden geçirdi ve yoluna fotografik bir plaka yerleştirerek sapmayı ölçtü. Fotografik plakada iki ışık yoğunluğu gözlemlediler (sağdaki resme bakınız), bu da iki farklı sapma parabolası önerdi ve neon'un iki farklı atom kütlesine (neon-20 ve neon-22) sahip atomlardan oluştuğu, yani iki izotoptan oluştuğu sonucuna vardılar. Bu, kararlı bir elementin izotoplarının ilk kanıtı olmuştur; Frederick Soddy daha önce belirli radyoaktif elementlerin bozunmasını açıklamak için izotopların varlığını önermiştir.
J. J. Thomson'un neon izotoplarını kütleye göre ayırması, kütle spektrometrisi'nin ilk örneğiydi ve daha sonra F. W. Aston ve A. J. Dempster tarafından iyileştirildi ve genel bir yönteme geliştirildi.
Katot ışınları ile deneyler
Daha önce, fizikçiler katot ışınlarının ışık gibi maddi olmayan "eterinde bir süreç" olup olmadığını ya da Thomson'u alıntı yaparak "aslında tamamen maddi ve ... negatif elektrikle yüklü madde parçacıklarının yollarını işaretledığini" tartışmışlardır. Eterik hipotez belirsiz oldu, ancak parçacık hipotezi Thomson'un test etmesi için yeterince belirgindir.
Manyetik sapma
Thomson ilk olarak katot ışınlarının manyetik sapmasını araştırdı. Katot ışınları, cihazın sol tarafındaki yan tüpte üretildi ve anot içinden ana cam kubbe'ye geçti, burada manyetik alan tarafından saptırıldılar. Thomson, ışınları çöp kubbe içindeki kareleme ekranında floresan ışımasıyla algıladı. Katot'un malzemesi ve cam kubbe içindeki gaz ne olursa olsun, ışınların sapmasının aynı olduğunu buldu ve bu, ışınların kökeninden bağımsız olarak aynı şekilde olduğunu önerdi.
Elektrik yükü
Eterik teorinin destekçileri, negatif yüklü parçacıkların Crookes tüplerinde üretilme olasılığını kabul ederken, Thomson yükü ışınlardan ayırıp ayıramayacağını araştırmaya çalıştı.
Thomson, elektrometre'yi bir tarafa kurup, katot ışınlarının doğrudan yolundan çıkararak bir Crookes tüpü kurdu. Thomson, ışının, tüpün yüzeyine çarptığı yerde oluşturduğu fosforlu yama gözlemleyerek ışının yolunu izleyebiliyordu. Thomson, yalnızca manyetik alan ile katot ışınını ona saptırdığında elektrometrenin bir yük kaydettiğini gözlemedi. Negatif yükün ve ışınların aynı olduğu sonucuna vardı.
Elektrik sapması
Mayıs–Haziran 1897'de Thomson, ışınların elektrik alan tarafından saptırılıp saptırılamayacağını araştırdı. Önceki deneyler bunu gözlemlemekte başarısız olmuş, ancak Thomson, tüpleri çok fazla gaz içerdiğinden deneylerin kusurlu olduğunu inanmıştır.
Thomson, daha iyi bir vakuma sahip bir Crookes tüpü kurdu. Tüpün başında, ışınları çıkaran katot vardı. Işınlar, iki metal yarık tarafından ışına keskinleştirildi - bunlardan ilki anot olarak işlev gördü, ikincisi yere bağlandı. Işın daha sonra, bir elektrik alan ürettikleri için bir bataryaya bağlandığında iki paralel alüminyum plaka arasından geçti. Tüpün sonunda, ışının cam üzerine çarpacağı gözle görülür bir yama oluşturacağı büyük bir küreydi. Thomson, bu kürenin yüzeyine sapma ölçmek için bir ölçek yapıştırdı. Işının herhangi bir sapmayı engelleyen
