Приносът на Джоузеф Джон Томсън към науката спомогна за революция в разбирането за атомната структура. Макар математик и експериментален физик по образование, Дж. J. Томсън допринася значително в областта на химията, като открива съществуването на електрони, разработва мас спектрометъра и определя присъствието на изотопи.
Ранният интерес на Томсън към науката
J. J. Томсън е роден в Манчестър, Англия, през 1856 година. Баща му очакваше да бъде инженер. Когато инженерното чиракуване не се осъществи, той беше изпратен на 14-годишна възраст в Оуен колеж. След смъртта на Дж. Бащата на Дж., Разходите за инженерно чиракуване бяха неуправляеми. Вместо това през 1876 г. той получава стипендия за Тринити Колидж в Кеймбридж учи математика.
След като посещава Тринити Колидж, Томсън продължава да става член на Тринити Колидж през 1880 година. Той остава като професор в Тринити през цялата си кариера. На 28-годишна възраст той наследява лорд Рейли (откривател на аргон и изследовател на плътностите на газовете) като професор по експериментална физика от Кавендиш в Кеймбридж през 1884 година.
J.J. Томсън: Експериментални начала
Томсън, като професор по експериментална физика, се опитва да изгради математически модели, за да обясни същността на атоми и електромагнетизъм.
Започва да изучава катодни лъчи през 1894г. По това време малко се разбираше за катодните лъчи, освен че са светещ лъч светлина във стъклена тръба с висок вакуум. Катодно-лъчевата тръба е куха стъклена продълговата опаковка, където въздухът се отстранява, за да се създаде вакуум. На катода се прилага високо напрежение и това предизвиква зелено сияние в противоположния край на стъклената тръба.
Идеята, че малките частици предават електричество, е била предложена през 1830-те. Когато Томсън позволи на катодните лъчи да пътуват във въздуха срещу вакуум, той откри, че те са изминали голямо разстояние, преди да бъдат спрени; те пътуваха още по-далеч във вакуум. Той смяташе, че частиците трябва да са по-малки от предполагаемия размер на атомите.
J.J. Томсън: Експерименти с катодно-лъчево отклонение
За да провери неговата хипотеза, че частиците на катодните лъчи са по-малки от размера на атомите, Томсън усъвършенства експерименталния си апарат и започна да отклонява катодните лъчи с електрически и магнитни полета. Целта му беше да открие дали тези частици държат положителен или отрицателен заряд. Също така ъгълът на отклонение ще му позволи да оцени масата.
След като измери ъгъла, под който тези лъчи бяха отклонени, той изчисли съотношението на електрическия заряд към масата на частиците. Томсън установява, че съотношението остава същото, независимо кой газ е използван в експеримента. Той предположи, че частиците, съдържащи се в газовете, са универсален и не зависи от състава на използвания газ.
J.J. Томсън: Модел на атом
До Дж. J. Експериментите на Томсън с катодни частици, научният свят вярва, че атомите са най-малките частици във Вселената. В продължение на над 2000 години атомът се смяташе за възможно най-малката частица и гръцкият философ Демокрит кръсти тази най-малка частица атомос за неизрежим.
Сега светът за пръв път погледна субатомна частица. Науката ще бъде завинаги променена. Всеки нов модел на атома трябва да съдържа субатомни частици.
Томсън нарича тези частици корпускули. И докато той беше прав за съществуването на частиците, името, което им даде, се промени: Тези отрицателно заредени частици сега са известни като електрони.
J.J. Томсън: Атомна теория
С тази нова субатомна частица Дж. J. Томсън създава нов атомен модел или атомна теория относно структурата на атома.
Теорията на Томсън сега е известна като атомен модел на слива от пудинг или Атомен модел на Томсън. Визуално атомът се е смятал за равномерно положително заредена маса („пудингът“ или „тестото“) с електроните, разпръснати навсякъде (като „сливи“), за да балансира зарядите.
Моделът на пудинг от слива се оказа неправилен, но предложи първия опит за включване на субатомна частица в атомна теория. През 1911 г. Ърнест Ръдърфорд - бивш ученик на Дж. J. Томсън - доказа тази теория за неправилна чрез експериментиране и хипотеза на ядрото.
Изобретение на масспектрометър
Масспектрометърът е подобен на катодна тръба, въпреки че лъчът му е направен от анодни лъчи или положителни заряди, а не от електрони. Както при Дж. J. Експериментите с електроните на Томсън, положителните йони се отклоняват от прав път от електрическо и магнитно поле.
Thomson подобри известната анодна лъчева тръба, като прикрепи подобен на осцилоскоп екран в точката на откриване. Екранът беше покрит с материал, който флуоресцира при удар от лъчите.
След като една заредена частица премине от магнитно поле, тя се отклонява. Това отклонение е пропорционално на съотношението маса към заряд (m / e). Деформациите, които са части от парабола, могат да бъдат записани точно срещу екрана. Всеки вид, изпратен през анодната лъчева тръба, има отделна парабола.
Когато леките видове проникнаха на екрана твърде дълбоко, Дж. J. Томсън конструира процеп в тръбата, където да седи екранът. Това му позволи да начертае интензитета спрямо относителната маса и създаде първия мас спектрометър.
Томсън разработи масспектрометъра заедно със своя ученик изследовател Франсис Уилям Астън. Астън продължава това изследване и печели Нобелова награда през 1922 г. за работата си.
Откриване на изотопи
J. J. Томсън и Астън използваха масспектрометъра за идентифициране на положителни йони на водород и хелий. През 1912 г. те изстрелват йонизиран неон в електрическото и магнитното поле. Появиха се два отделни модела за лъча: един с атомна маса 20 и по-слаба парабола с маса 22.
След като внуши примеси, той осъзна, че тази по-слаба парабола е по-тежка форма на неон. Това показва два атома на неона с различни маси, по-известни като изотопи.
Спомнете си, че изотоп е промяната в броя на неутроните в ядрото. При изотопа идентичността на елемента остава същата, но той има различен брой неутрони в ядрото. J. J. Томсън и Астън заключават по-голямата маса на друг неонов изотоп, без да имат предимството да знаят за съществуването на неутрони (открит от Джеймс Чадуик през 1932 г.).
J.J. Томсън: Принос към науката
През 1906 г. Дж. J. Томпсън получи Нобелова награда по физика “като признание за големите достойнства на това теоретично и експериментално изследване на проводимост на електричество от газове. " На Томсън се приписва идентифицирането на електроните като частици на атом.
Въпреки че много други учени правят наблюдения върху атомните частици по време на експериментите на Томсън, неговите открития водят до ново разбиране за електричеството и атомните частици.
На Томсън с право се приписва откритието на изотопа и експериментите му с положително заредени частици доведоха до развитието на масспектрометъра. Тези постижения допринесоха за развитието на знанията и откритията във физиката и химията, които продължават и до днес.
J. J. Томсън умира през август 1940 г. в Кеймбридж и е погребан в Уестминстърското абатство близо до Исак Нютон и Чарлз Дарвин.