Las contribuciones de Joseph John Thomson a la ciencia ayudaron a revolucionar la comprensión de la estructura atómica. Aunque matemático y físico experimental de formación, J. J. Thomson contribuyó ampliamente al campo de la química al descubrir la existencia de electrones, desarrollar el espectrómetro de masas y determinar la presencia de isótopos.
Interés temprano de Thomson en la ciencia
J. J. Thomson nació en Manchester, Inglaterra, en 1856. Su padre esperaba que fuera ingeniero. Cuando no se materializó un aprendizaje de ingeniería, fue enviado, a los 14 años, al Owen College. Después de la muerte de J. Padre de J., el costo de un aprendizaje de ingeniería era inmanejable. En cambio, en 1876, recibió una beca para el Trinity College de Cambridge para estudiar matemáticas.
Después de asistir al Trinity College, Thomson se convirtió en miembro del Trinity College en 1880. Permaneció como profesor en Trinity durante toda su carrera. A la edad de 28 años, sucedió a Lord Rayleigh (descubridor del argón e investigador de densidades de gases) como Profesor Cavendish de Física Experimental en Cambridge en 1884.
J.J. Thomson: inicios de experimentos
Thomson, como profesor de física experimental, intentó construir modelos matemáticos para explicar la naturaleza de átomos y electromagnetismo.
Comenzó a estudiar los rayos catódicos en 1894. En ese momento, se entendía poco sobre los rayos catódicos más allá de ser un haz de luz brillante en un tubo de vidrio de alto vacío. Un tubo de rayos catódicos es un recipiente oblongo de vidrio hueco donde se extrae el aire para crear un vacío. En el cátodo, se aplica un alto voltaje y esto provoca un brillo verde en el extremo opuesto del tubo de vidrio.
La idea de que las partículas diminutas transmitían electricidad se propuso en la década de 1830. Cuando Thomson permitió que los rayos catódicos viajaran a través del aire en lugar de un vacío, descubrió que viajaban una gran distancia antes de detenerse; viajaron aún más lejos en el vacío. Pensó que las partículas debían ser más pequeñas que el tamaño estimado de los átomos.
J.J. Thomson: experimentos con deflexión de rayos catódicos
Para probar su hipótesis de que las partículas de rayos catódicos eran más pequeñas que el tamaño de los átomos, Thomson mejoró su aparato experimental y comenzó a desviar los rayos catódicos con rayos eléctricos y magnéticos campos. Su objetivo era averiguar si estas partículas tenían carga positiva o negativa. Además, el ángulo de deflexión le permitiría estimar la masa.
Después de medir el ángulo en el que se desvían estos rayos, calculó la relación entre la carga eléctrica y la masa de las partículas. Thomson descubrió que la proporción se mantuvo igual independientemente del gas que se usó en el experimento. Postuló que las partículas contenidas dentro de los gases eran universal y no depende de la composición del gas utilizado.
J.J. Thomson: modelo de átomo
Hasta que J. J. En los experimentos de Thomson con partículas de rayos catódicos, el mundo científico creía que los átomos eran las partículas más pequeñas del universo. Durante más de 2.000 años, el átomo se consideró la partícula más diminuta posible, y el filósofo griego Demócritis nombró a esta partícula más pequeña atomos por incortable.
El mundo ahora tuvo su primer vistazo a una partícula subatómica. La ciencia cambiaría para siempre. Cualquier nuevo modelo del átomo debe contener partículas subatómicas.
Thomson llamó a estas partículas corpúsculos. Y aunque tenía razón sobre la existencia de las partículas, el nombre que les dio cambió: estas partículas cargadas negativamente ahora se conocen como electrones.
J.J. Thomson: teoría atómica
Con esta nueva partícula subatómica, J. J. Thomson produjo un nuevo modelo atómico, o teoría atómica, sobre la estructura del átomo.
La teoría de Thomson ahora se conoce como la pudín de ciruela modelo atómico o Modelo atómico de Thomson. El átomo se pensaba visualmente como una masa uniformemente cargada positivamente (el "pudín" o "masa") con los electrones esparcidos por todas partes (como "ciruelas") para equilibrar las cargas.
El modelo del pudín de ciruela resultó incorrecto, pero ofreció el primer intento de incorporar una partícula subatómica en una teoría atómica. En 1911, Ernest Rutherford, un ex alumno de J. J. Thomson - demostró que esta teoría era incorrecta al experimentar e hipotetizar el núcleo.
Invención del espectrómetro de masas
Un espectrómetro de masas es similar a un tubo de rayos catódicos, aunque su haz está formado por rayos anódicos o cargas positivas, en lugar de electrones. Como en J. J. En los experimentos de Thomson con electrones, los iones positivos se desvían de una trayectoria recta mediante campos eléctricos y magnéticos.
Thomson mejoró el conocido tubo de rayos anódicos colocando una pantalla similar a un osciloscopio en el punto de detección. La pantalla estaba recubierta con un material que emitía fluorescencia cuando los rayos la golpeaban.
Una vez que una partícula cargada pasa por un campo magnético, se desvía. Esta deflexión es proporcional a la relación masa / carga (m / e). Las deflexiones, que son porciones de una parábola, podrían registrarse con precisión contra la pantalla. Cada especie enviada a través del tubo de rayos anódicos tiene una parábola separada.
Cuando las especies ligeras penetraron la pantalla demasiado profundamente, J. J. Thomson construyó una hendidura en el tubo donde se colocaría la pantalla. Esto le permitió graficar la intensidad contra la masa relativa y creó el primer espectrómetro de masas.
Thomson desarrolló el espectrómetro de masas junto con su estudiante investigador Francis William Aston. Aston continuó esta investigación y ganó un Premio Nobel en 1922 por su trabajo.
Descubrimiento de isótopos
J. J. Thomson y Aston utilizaron el espectrómetro de masas para identificar iones positivos de hidrógeno y helio. En 1912, dispararon neón ionizado a los campos eléctricos y magnéticos. Surgieron dos patrones separados para el rayo: uno con masa atómica de 20 y una parábola más débil de masa 22.
Después de sugerir impurezas, se dio cuenta de que esta parábola más débil era una forma más pesada de neón. Esto indicó dos átomos de neón con diferentes masas, más conocidos como isótopos.
Recuerde que un isótopo es el cambio en el número de neutrones dentro del núcleo. Con un isótopo, la identidad del elemento sigue siendo la misma, pero tiene un número diferente de neutrones en el núcleo. J. J. Thomson y Aston concluyeron la mayor masa de otro isótopo de neón sin tener el beneficio de conocer la existencia de neutrones (descubierto por James Chadwick en 1932).
J.J. Thomson: Contribución a la ciencia
En 1906, J. J. Thompson recibió el premio Nobel en Física “en reconocimiento a los grandes méritos de estas investigaciones teóricas y experimentales sobre el conducción de electricidad por gases ”. A Thomson se le atribuye la identificación de electrones como partículas de un átomo.
Aunque muchos otros científicos hicieron observaciones de partículas atómicas durante la época de los experimentos de Thomson, sus descubrimientos llevaron a una nueva comprensión de la electricidad y las partículas atómicas.
A Thomson se le atribuye legítimamente el descubrimiento del isótopo y sus experimentos con partículas cargadas positivamente llevaron al desarrollo del espectrómetro de masas. Estos logros contribuyeron a la evolución del conocimiento y los descubrimientos en física y química que han continuado hasta el presente.
J. J. Thomson murió en agosto de 1940 en Cambridge y está enterrado en la Abadía de Westminster, cerca de Isaac Newton y Charles Darwin.