Příspěvky Josepha Johna Thomsona k vědě pomohly převratem v chápání atomové struktury. Ačkoli matematik a experimentální fyzik trénovaný, J. J. Thomson významně přispěl do oblasti chemie objevením existence elektronů, vývojem hmotnostního spektrometru a určením přítomnosti izotopů.
Thomsonův raný zájem o vědu
J. J. Thomson se narodil v Manchesteru v Anglii v roce 1856. Jeho otec očekával, že bude inženýr. Když se strojní učení neuskutečnilo, byl ve 14 letech poslán na Owen College. Po smrti J. Otce J., náklady na učňovskou přípravu byly nezvládnutelné. Místo toho v roce 1876 získal stipendium na Trinity College v Cambridge studovat matematiku.
Poté, co navštěvoval Trinity College, Thomson se stal členem Trinity College v roce 1880. Jako profesor na Trinity zůstal po celou dobu své kariéry. Ve věku 28 let nastoupil na místo lorda Rayleigha (objevitele argonu a vyšetřovatele hustoty plynů) jako Cavendish profesor experimentální fyziky v Cambridge v roce 1884.
J.J. Thomson: Počátky experimentu
Thomson, jako profesor experimentální fyziky, se pokusil vytvořit matematické modely vysvětlující podstatu atomy a elektromagnetismus.
V roce 1894 začal studovat katodové paprsky. V té době se málo vědělo o katodových paprskech, které přesahovaly zářící paprsek světla ve skleněné trubici s vysokým vakuem. Katodová trubice je dutá skleněná podlouhlá nádoba, kde je vzduch odstraněn za vzniku vakua. Na katodu je přivedeno vysoké napětí, což způsobí zelenou záři na opačném konci skleněné trubice.
Myšlenka, že malé částice přenášely elektřinu, byla navržena ve 30. letech 20. století. Když Thomson dovolil katodovým paprskům cestovat vzduchem ve vakuu, zjistil, že cestují daleko, než je zastaví; cestovali ještě dále ve vakuu. Myslel si, že částice musí být menší než odhadovaná velikost atomů.
J.J. Thomson: Experimenty s vychýlením katodového paprsku
Aby otestoval svou hypotézu, že částice katodového paprsku byly menší než velikost atomů, Thomson vylepšil svůj experimentální přístroj a začal vychylovat katodové paprsky elektrickými a magnetickými pole. Jeho cílem bylo zjistit, zda tyto částice mají kladný nebo záporný náboj. Také úhel vychýlení by mu umožnil odhadnout hmotnost.
Po měření úhlu, pod kterým byly tyto paprsky vychýleny, vypočítal poměr elektrického náboje k hmotnosti částic. Thomson zjistil, že poměr zůstal stejný bez ohledu na to, který plyn byl použit v experimentu. Předpokládal, že částice obsažené v plynech byly univerzální a nezávisí na složení použitého plynu.
J.J. Thomson: Model atomu
Až do J. J. Thomsonovy experimenty s částicemi katodového paprsku věděly, že atomy jsou nejmenší částice ve vesmíru. Po více než 2000 let byl atom považován za nejmenší možnou částici a řecký filozof Democritis pojmenoval tuto nejmenší částici atomos pro nestřihatelné.
Svět nyní poprvé zahlédl subatomární částice. Věda by se navždy změnila. Každý nový model atomu musí obsahovat subatomární částice.
Thomson nazval tyto částice krvinkami. A i když měl pravdu o existenci částic, název, který jim dal, se změnil: Tyto negativně nabité částice jsou nyní známé jako elektrony.
J.J. Thomson: Atomová teorie
S touto novou subatomární částicou J. J. Thomson vytvořil nový atomový model neboli atomovou teorii týkající se struktury atomu.
Thomsonova teorie je nyní známá jako atomový model švestkového pudingu nebo Thomsonův atomový model. Atom byl vizuálně považován za rovnoměrně kladně nabitou hmotu („pudink“ nebo „těsto“) s elektrony rozptýlenými po celém těle (jako „švestky“), aby se vyrovnal náboj.
Ukázalo se, že model švestkového pudingu je nesprávný, ale nabídl první pokus o začlenění subatomární částice do atomové teorie. V roce 1911 Ernest Rutherford - bývalý student J. J. Thomson - prokázal tuto teorii nesprávnou experimentováním a hypotézováním jádra.
Vynález hmotnostního spektrometru
Hmotnostní spektrometr je podobný katodové trubici, i když jeho paprsek je vyroben spíše z anodových paprsků nebo kladných nábojů než z elektronů. Jako v J. J. Thomsonovy elektronové experimenty, kladné ionty jsou vychýleny z přímé dráhy elektrickým a magnetickým polem.
Thomson vylepšil známou anodovou trubici připojením osciloskopické obrazovky v detekčním bodě. Obrazovka byla potažena materiálem, který fluoreskoval, když byl zasažen paprsky.
Jakmile nabitá částice prochází magnetickým polem, je vychýlena. Tato výchylka je úměrná poměru hmotnosti k náboji (m / e). Vychýlení, což jsou části paraboly, lze přesně zaznamenat na obrazovku. Každý druh vyslaný anodovou trubicí má samostatnou parabolu.
Když lehké druhy pronikly na obrazovku příliš hluboko, J. J. Thomson zkonstruoval štěrbinu v trubici, kde by mohla sedět obrazovka. To mu umožnilo vykreslit intenzitu proti relativní hmotnosti a vytvořil první hmotnostní spektrometr.
Thomson vyvinul hmotnostní spektrometr spolu se svým studentským výzkumným pracovníkem Francis William Aston. Aston pokračoval v tomto výzkumu a za svou práci získal v roce 1922 Nobelovu cenu.
Objev izotopů
J. J. Thomson a Aston pomocí hmotnostního spektrometru identifikovali kladné ionty vodíku a hélia. V roce 1912 vystřelili ionizovaný neon do elektrického a magnetického pole. Objevily se dva samostatné vzory paprsku: jeden s atomovou hmotností 20 a slabší parabolou o hmotnosti 22.
Když navrhl nečistoty, uvědomil si, že tato slabší parabola je těžší formou neonů. To naznačovalo dva atomy neonů s různou hmotností, lépe známé jako izotopy.
Připomeňme, že izotop je změna počtu neutronů v jádře. S izotopem zůstává identita prvku stejná, ale má v jádře odlišný počet neutronů. J. J. Thomson a Aston dospěli k závěru, že vyšší hmotnost dalšího neonového izotopu je bez znalosti existence neutronů (objeven Jamesem Chadwickem v roce 1932).
J.J. Thomson: Příspěvek k vědě
V roce 1906 J. J. Thompson obdržel Nobelova cena ve fyzice „jako uznání velkých výhod tohoto teoretického a experimentálního výzkumu na internetu vedení elektřiny plyny. “ Thomsonovi se připisuje identifikace elektronů jako částic částice atom.
Ačkoli mnoho dalších vědců provádělo pozorování atomových částic v době Thomsonových experimentů, jeho objevy vedly k novému chápání elektřiny a atomových částic.
Thomson je oprávněně připočítán s objevem izotopu a jeho experimenty s kladně nabitými částicemi vedly k vývoji hmotnostního spektrometru. Tyto úspěchy přispěly k vývoji znalostí a objevů ve fyzice a chemii, které pokračovaly až do současnosti.
J. J. Thomson zemřel v srpnu 1940 v Cambridge a je pohřben ve Westminsterském opatství poblíž Isaaca Newtona a Charlese Darwina.