Joseph John Thomsons Beiträge zur Wissenschaft trugen dazu bei, das Verständnis der Atomstruktur zu revolutionieren. Obwohl gelernter Mathematiker und Experimentalphysiker, ist J. J. Thomson trug maßgeblich zur Chemie bei, indem er die Existenz von Elektronen entdeckte, das Massenspektrometer entwickelte und das Vorhandensein von Isotopen bestimmte.
Thomsons frühes Interesse an der Wissenschaft
J. J. Thomson wurde 1856 in Manchester, England, geboren. Sein Vater erwartete von ihm, Ingenieur zu werden. Als eine Ingenieurausbildung nicht zustande kam, wurde er mit 14 Jahren auf das Owen College geschickt. Nach dem Tod von J. J.s Vater waren die Kosten für eine Ingenieurslehre unüberschaubar. Stattdessen erhielt er 1876 ein Stipendium für das Trinity College in Cambridge, um Mathematik studieren.
Nach dem Besuch des Trinity College wurde Thomson 1880 Fellow des Trinity College. Er blieb während seiner gesamten Karriere als Professor an Trinity. Im Alter von 28 Jahren trat er 1884 die Nachfolge von Lord Rayleigh (Entdecker von Argon und Erforscher der Dichte von Gasen) als Cavendish Professor of Experimental Physics in Cambridge an.
J. J. Thomson: Experimentelle Anfänge
Als Professor für Experimentalphysik versuchte Thomson, mathematische Modelle zu erstellen, um die Natur der Atome und Elektromagnetismus.
Er begann 1894 mit der Untersuchung von Kathodenstrahlen. Über Kathodenstrahlen war damals wenig bekannt, außer dass sie ein leuchtender Lichtstrahl in einer Hochvakuum-Glasröhre waren. Eine Kathodenstrahlröhre ist ein länglicher hohler Glasbehälter, aus dem die Luft entfernt wird, um ein Vakuum zu erzeugen. An der Kathode wird eine Hochspannung angelegt, die am gegenüberliegenden Ende des Glasrohres ein grünes Leuchten verursacht.
Die Idee, dass winzige Teilchen Elektrizität übertragen, wurde in den 1830er Jahren vorgeschlagen. Als Thomson den Kathodenstrahlen erlaubte, durch Luft statt durch ein Vakuum zu wandern, stellte er fest, dass sie eine weite Strecke zurücklegten, bevor sie gestoppt wurden; sie reisten noch weiter im luftleeren Raum. Er dachte, die Teilchen müssten kleiner sein als die geschätzte Größe der Atome.
J. J. Thomson: Experimente mit Kathodenstrahlablenkung
Um seine Hypothese zu überprüfen, dass die Teilchen des Kathodenstrahls kleiner als die Größe von Atomen sind, hat Thomson verbesserte seine Versuchsapparatur und begann, die Kathodenstrahlen mit elektrischen und magnetischen Felder. Sein Ziel war es herauszufinden, ob diese Teilchen positiv oder negativ geladen waren. Auch der Ablenkwinkel würde es ihm ermöglichen, die Masse abzuschätzen.
Nachdem er den Winkel gemessen hatte, unter dem diese Strahlen abgelenkt wurden, berechnete er das Verhältnis der elektrischen Ladung zur Masse der Teilchen. Thomson stellte fest, dass das Verhältnis gleich blieb, unabhängig davon, welches Gas im Experiment verwendet wurde. Er postulierte, dass die in den Gasen enthaltenen Partikel Universal- und unabhängig von der Zusammensetzung des verwendeten Gases.
J. J. Thomson: Atommodell
Bis J. J. Thomsons Experimente mit Kathodenstrahlteilchen glaubte die wissenschaftliche Welt, dass Atome die kleinsten Teilchen im Universum seien. Über 2.000 Jahre lang galt das Atom als kleinstes Teilchen, und der griechische Philosoph Democritis nannte dieses kleinste Teilchen atomos zum unschneidbar.
Die Welt hatte jetzt den ersten Blick auf ein subatomares Teilchen. Die Wissenschaft würde sich für immer verändern. Jedes neue Atommodell muss enthalten must subatomare Partikel.
Thomson nannte diese Teilchen Korpuskeln. Und während er mit der Existenz der Teilchen Recht hatte, änderte sich der Name, den er ihnen gab: Diese negativ geladenen Teilchen sind jetzt als Elektronen bekannt.
J. J. Thomson: Atomtheorie
Mit diesem neuen subatomaren Teilchen hat J. J. Thomson entwickelte ein neues Atommodell oder eine Atomtheorie bezüglich der Struktur des Atoms.
Thomsons Theorie ist heute als bekannt Plumpudding Atommodell oder Atommodell von Thomson. Das Atom wurde visuell als eine gleichmäßig positiv geladene Masse (der „Pudding“ oder „Teig“) mit den überall gestreuten Elektronen (wie „Pflaumen“) zum Ausgleich der Ladungen gedacht.
Das Plumpudding-Modell erwies sich als falsch, bot aber den ersten Versuch, ein subatomares Teilchen in eine Atomtheorie einzubeziehen. 1911 wurde Ernest Rutherford – ein ehemaliger Schüler von J. J. Thomson – bewies diese Theorie falsch, indem er den Kern experimentierte und Hypothesen aufstellte.
Erfindung des Massenspektrometers
Ein Massenspektrometer ähnelt einer Kathodenstrahlröhre, obwohl sein Strahl aus Anodenstrahlen oder positiven Ladungen besteht und nicht aus Elektronen. Wie bei J. J. Thomsons Elektronenexperimenten werden die positiven Ionen durch elektrische und magnetische Felder von einer geraden Bahn abgelenkt.
Thomson verbesserte die bekannte Anodenstrahlröhre durch Anbringen eines oszilloskopartigen Bildschirms am Erfassungspunkt. Der Schirm war mit einem Material beschichtet, das beim Auftreffen der Strahlen fluoreszierte.
Sobald ein geladenes Teilchen ein Magnetfeld passiert, wird es abgelenkt. Diese Auslenkung ist proportional zum Masse-Ladungs-Verhältnis (m/e). Die Auslenkungen, die Teile einer Parabel sind, konnten genau gegen den Bildschirm aufgezeichnet werden. Jede durch die Anodenstrahlröhre gesendete Spezies hat eine separate Parabel.
Als leichte Spezies zu tief in den Bildschirm eindrangen, wurde J. J. Thomson konstruierte einen Schlitz in der Röhre, wo der Bildschirm sitzen würde. Dadurch konnte er die Intensität gegen die relative Masse aufzeichnen und schuf das erste Massenspektrometer.
Thomson hat das Massenspektrometer zusammen mit seinem studentischen Forscher entwickelt Francis William Aston. Aston setzte diese Forschungen fort und erhielt 1922 für seine Arbeit den Nobelpreis.
Entdeckung von Isotopen
J. J. Thomson und Aston verwendeten das Massenspektrometer, um positive Ionen von Wasserstoff und Helium zu identifizieren. 1912 feuerten sie ionisiertes Neon in die elektrischen und magnetischen Felder. Es entstanden zwei getrennte Muster für den Strahl: eines mit einer Atommasse von 20 und eine schwächere Parabel der Masse 22.
Nachdem er Unreinheiten vorgeschlagen hatte, erkannte er, dass diese schwächere Parabel eine schwerere Form von Neon war. Dies deutete auf zwei Neonatome mit unterschiedlichen Massen hin, besser bekannt als Isotope.
Denken Sie daran, dass ein Isotop die Änderung der Neutronenzahl im Kern ist. Bei einem Isotop bleibt die Identität des Elements gleich, aber es hat eine andere Anzahl von Neutronen im Kern. J. J. Thomson und Aston schlossen die höhere Masse eines anderen Neonisotops, ohne die Existenz von Neutronen zu kennen (entdeckt von James Chadwick 1932).
J. J. Thomson: Beitrag zur Wissenschaft
1906 J. J. Thompson erhielt die Nobelpreis in Physik „in Anerkennung der großen Verdienste dieser theoretischen und experimentellen Untersuchungen über die Stromleitung durch Gase.“ Thomson wird zugeschrieben, Elektronen als Teilchen von an. identifiziert zu haben Atom.
Obwohl viele andere Wissenschaftler während der Zeit von Thomsons Experimenten atomare Teilchen beobachteten, führten seine Entdeckungen zu einem neuen Verständnis von Elektrizität und atomaren Teilchen.
Thomson wird zu Recht die Entdeckung des Isotops zugeschrieben und seine Experimente mit positiv geladenen Teilchen führten zur Entwicklung des Massenspektrometers. Diese Errungenschaften trugen zur Weiterentwicklung des Wissens und der Entdeckungen in Physik und Chemie bei, die bis heute andauern.
J. J. Thomson starb im August 1940 in Cambridge und wurde in der Westminster Abbey in der Nähe von Isaac Newton und Charles Darwin beigesetzt.