Joseph John Thomsonin panos tieteeseen auttoi mullistamaan atomirakenteen ymmärtämisen. Vaikka matemaatikko ja kokeellinen fyysikko koulutuksellaan, J. J. Thomson osallistui laajasti kemian alaan selvittämällä elektronien olemassaolon, kehittämällä massaspektrometrin ja määrittämällä isotooppien läsnäolon.
Thomsonin varhainen kiinnostus tiedeeseen
J. J. Thomson syntyi Manchesterissa Englannissa vuonna 1856. Hänen isänsä odotti hänen olevan insinööri. Kun tekninen oppisopimuskoulutus ei toteutunut, hänet lähetettiin 14-vuotiaana Owen Collegeen. J.: n kuoleman jälkeen J.: n isän mukaan teknisen oppisopimuskoulutuksen kustannuksia ei voitu hallita. Sen sijaan vuonna 1876 hän sai stipendin Trinity Collegelle Cambridgessa opiskele matematiikkaa.
Opiskellessaan Trinity Collegessa Thomsonista tuli Trinity Collegen stipendiaatti vuonna 1880. Hän pysyi Trinityn professorina koko uransa ajan. 28-vuotiaana hän seurasi Lord Rayleighia (argonin löytö ja kaasutiheyden tutkija) Cavendishin kokeellisen fysiikan professorina Cambridgessa vuonna 1884.
J.J. Thomson: Kokeilun alku
Thomson kokeellisen fysiikan professorina yritti rakentaa matemaattisia malleja selittämään niiden luonnetta atomien ja sähkömagneettisuuden.
Hän aloitti katodisäteiden tutkimisen vuonna 1894. Tuolloin katodisäteistä ymmärrettiin vain vähän kuin hehkuva valonsäde suurityhjössä lasiputkessa. Katodisädeputki on ontto lasinen pitkänomainen astia, josta ilma poistetaan tyhjiön muodostamiseksi. Katodissa käytetään suurjännitettä, mikä aiheuttaa vihreän hehkun lasiputken vastakkaisessa päässä.
Ajatusta siitä, että pienet hiukkaset välittivät sähköä, oli ehdotettu 1830-luvulla. Kun Thomson antoi katodisäteiden kulkea ilman läpi tyhjiössä, hän huomasi, että ne kuljettivat paljon matkaa ennen pysähtymistä; he matkustivat vielä kauemmas tyhjössä. Hän ajatteli, että hiukkasten on oltava pienempiä kuin arvioitu atomien koko.
J.J. Thomson: Kokeita katodisäteen taipumalla
Testatakseen hänen hypoteesinsa siitä, että katodisädepartikkelit olivat pienempiä kuin atomien koko, Thomson parantanut kokeellista laitteistoa ja alkoi ohjata katodisäteitä sähköisellä ja magneettisella kentät. Hänen tavoitteena oli selvittää, onko näillä hiukkasilla positiivinen vai negatiivinen varaus. Myös taipumakulma antaisi hänelle mahdollisuuden arvioida massa.
Mitattuaan kulman, jossa nämä säteet taipuivat, hän laski sähkövarauksen ja hiukkasten massan suhteen. Thomson havaitsi, että suhde pysyi samana riippumatta siitä, mitä kaasua kokeessa käytettiin. Hän oletti, että kaasujen sisältämät hiukkaset olivat universaali eikä ole riippuvainen käytetyn kaasun koostumuksesta.
J.J. Thomson: Atomin malli
J: ään asti J. Thomsonin katodisädehiukkasilla tekemät kokeet, tiedemaailma uskoivat atomien olevan pienimmät hiukkaset maailmankaikkeudessa. Yli 2000 vuoden ajan atomia pidettiin mahdollisimman pienenä hiukkasena, ja kreikkalainen filosofi Democritis nimitti tämän pienimmän hiukkasen atomos varten leikkaamaton.
Maailmalla oli nyt ensimmäinen katsaus subatomisiin hiukkasiin. Tiede muuttuisi ikuisesti. Kaikkien uusien atomimallien on sisällettävä atomia pienemmät hiukkaset.
Thomson kutsui näitä hiukkasia corpusclesiksi. Ja vaikka hän oli oikeassa hiukkasten olemassaolossa, nimi, jonka hän antoi heille, muuttui: Nämä negatiivisesti varatut hiukkaset tunnetaan nyt elektronina.
J.J. Thomson: Atomiteoria
Tämän uuden subatomisen hiukkasen kanssa J. J. Thomson tuotti uuden atomimallin tai atomiteorian, joka koskee atomin rakennetta.
Thomsonin teoria tunnetaan nyt nimellä luumu vanukas atomimalli tai Thomsonin atomimalli. Atomi katsottiin visuaalisesti yhtenäisesti positiivisesti varautuneeksi massaksi ("vanukas" tai "taikina"), jonka elektronit olivat hajallaan (kuten "luumut") varausten tasapainottamiseksi.
Luumupuuromalli osoittautui virheelliseksi, mutta se tarjosi ensimmäisen yrityksen sisällyttää subatominen hiukkanen atomiteoriaan. Vuonna 1911 Ernest Rutherford - J. J. Thomson - osoitti tämän teorian virheelliseksi kokeilemalla ja olettamalla ytimen.
Massaspektrometrin keksiminen
Massaspektrometri on samanlainen kuin katodisädeputki, vaikka sen säde on tehty anodisäteistä tai positiivisista varauksista elektronien sijasta. Kuten julkaisussa J. J. Thomsonin elektronikokeet positiiviset ionit ohjaavat suoralta polulta sähkö- ja magneettikentät.
Thomson paransi tunnettua anodisädeputkea liittämällä oskilloskoopin kaltaisen näytön havaintopisteeseen. Seula oli päällystetty materiaalilla, joka fluoresoi, kun säteet osuivat.
Kun varautunut hiukkanen kulkee magneettikentän ohi, se taipuu. Tämä taipuma on verrannollinen massa / varaus -suhteeseen (m / e). Taivutukset, jotka ovat parabolin osia, voitaisiin tallentaa tarkasti näyttöä vasten. Jokaisella anodisädeputken kautta lähetetyllä lajilla on erillinen paraboli.
Kun kevyet lajit tunkeutuivat ruutuun liian syvälle, J. J. Thomson rakensi rakon putkeen, jossa näyttö istui. Tämän ansiosta hän pystyi piirtämään intensiteetin suhteelliseen massaan nähden ja loi ensimmäisen massaspektrometrin.
Thomson kehitti massaspektrometrin yhdessä tutkijaopiskelijansa kanssa Francis William Aston. Aston jatkoi tätä tutkimusta ja voitti Nobel-palkinnon vuonna 1922 työstään.
Isotooppien löytäminen
J. J. Thomson ja Aston käyttivät massaspektrometriä vety- ja helium-positiivisten ionien tunnistamiseen. Vuonna 1912 he ampuivat ionisoitua neonia sähkö- ja magneettikenttiin. Säteelle syntyi kaksi erillistä mallia: yhden atomimassan ollessa 20 ja heikomman massan 22 parabolin.
Ehdotettuaan epäpuhtauksia hän tajusi, että tämä heikompi paraboli oli raskaampi neonin muoto. Tämä osoitti kaksi eri massojen neoniatomia, jotka tunnetaan paremmin nimellä isotoopit.
Muistakaamme, että isotooppi on muutos neutronien määrässä ytimessä. Isotoopin kanssa elementin identiteetti pysyy samana, mutta sen ytimessä on erilainen määrä neutroneja. J. J. Thomson ja Aston päättelivät toisen neonisotoopin suuremman massan hyötymättä neutronien olemassaolon tiedosta (löysi James Chadwick vuonna 1932).
J.J. Thomson: Panos tieteeseen
Vuonna 1906 J. J. Thompson sai Nobel palkinto fysiikassa "tunnustuksena tämän teoreettisen ja kokeellisen tutkimuksen suurista eduista sähkön johtaminen kaasuilla. " Thomsonille hyvitetään elektronien tunnistaminen atomi.
Vaikka monet muut tutkijat tekivät havaintoja atomihiukkasista Thomsonin kokeiden aikana, hänen löytönsä johtivat uuteen käsitykseen sähköstä ja atomihiukkasista.
Thomsonille on oikeutetusti myönnetty isotoopin löytäminen, ja hänen kokeilunsa positiivisesti varautuneilla hiukkasilla johti massaspektrometrin kehitykseen. Nämä saavutukset myötävaikuttivat fysiikan ja kemian tiedon ja löydösten kehittymiseen, jotka ovat jatkuneet tähän päivään saakka.
J. J. Thomson kuoli elokuussa 1940 Cambridgessa, ja hänet haudattiin Westminster Abbeyen lähellä Isaac Newtonia ja Charles Darwinia.