Les contributions de Joseph John Thomson à la science ont contribué à révolutionner la compréhension de la structure atomique. Bien que mathématicien et physicien expérimental de formation, J. J. Thomson a largement contribué au domaine de la chimie en découvrant l'existence des électrons, en développant le spectromètre de masse et en déterminant la présence d'isotopes.
L'intérêt précoce de Thomson pour la science
J. J. Thomson est né à Manchester, en Angleterre, en 1856. Son père s'attendait à ce qu'il soit ingénieur. Lorsqu'un apprentissage d'ingénieur ne s'est pas concrétisé, il a été envoyé, à 14 ans, à Owen College. Après la mort de J. père de J., le coût d'un apprentissage d'ingénieur était ingérable. Au lieu de cela, en 1876, il a reçu une bourse au Trinity College de Cambridge pour étudier les mathématiques.
Après avoir fréquenté le Trinity College, Thomson est devenu membre du Trinity College en 1880. Il est resté professeur à Trinity pendant toute sa carrière. À l'âge de 28 ans, il succède à Lord Rayleigh (découvreur de l'argon et chercheur des densités de gaz) en tant que professeur Cavendish de physique expérimentale à Cambridge en 1884.
J.J. Thomson: Débuts de l'expérience
Thomson, en tant que professeur de physique expérimentale, a tenté de construire des modèles mathématiques pour expliquer la nature de atomes et électromagnétisme.
Il a commencé à étudier les rayons cathodiques en 1894. À l'époque, on ne comprenait pas grand-chose aux rayons cathodiques au-delà d'un faisceau de lumière rougeoyant dans un tube de verre à vide poussé. Un tube à rayons cathodiques est un récipient oblong en verre creux où l'air est retiré pour créer un vide. A la cathode, une haute tension est appliquée, ce qui provoque une lueur verte à l'extrémité opposée du tube de verre.
L'idée que de minuscules particules transmettaient de l'électricité avait été proposée dans les années 1830. Lorsque Thomson a permis aux rayons cathodiques de voyager dans l'air plutôt que dans le vide, il a découvert qu'ils parcouraient une longue distance avant d'être arrêtés; ils ont voyagé encore plus loin dans le vide. Il pensait que les particules devaient être plus petites que la taille estimée des atomes.
J.J. Thomson: Expériences avec la déviation des rayons cathodiques
Pour tester son hypothèse selon laquelle les particules des rayons cathodiques étaient plus petites que la taille des atomes, Thomson amélioré son appareil expérimental et a commencé à dévier les rayons cathodiques avec électrique et magnétique des champs. Son objectif était de découvrir si ces particules avaient une charge positive ou négative. Aussi, l'angle de déviation lui permettrait d'estimer la masse.
Après avoir mesuré l'angle sous lequel ces rayons ont été déviés, il a calculé le rapport de la charge électrique à la masse des particules. Thomson a découvert que le rapport restait le même quel que soit le gaz utilisé dans l'expérience. Il a postulé que les particules contenues dans les gaz étaient universel et ne dépend pas de la composition du gaz utilisé.
J.J. Thomson: modèle d'atome
Jusqu'à J. J. Les expériences de Thomson avec les particules de rayons cathodiques, le monde scientifique croyait que les atomes étaient les plus petites particules de l'univers. Pendant plus de 2 000 ans, l'atome a été considéré comme la particule la plus petite possible, et le philosophe grec Démocrite a nommé cette particule la plus petite atomes pour indécoupable.
Le monde a maintenant eu son premier aperçu d'une particule subatomique. La science serait changée à jamais. Tout nouveau modèle de l'atome doit contenir particules subatomiques.
Thomson a appelé ces particules corpuscules. Et alors qu'il avait raison sur l'existence des particules, le nom qu'il leur a donné a changé: ces particules chargées négativement sont maintenant connues sous le nom d'électrons.
J.J. Thomson: théorie atomique
Avec cette nouvelle particule subatomique, J. J. Thomson a produit un nouveau modèle atomique, ou théorie atomique, concernant la structure de l'atome.
La théorie de Thomson est maintenant connue sous le nom de modèle atomique de pudding de prune ou alors Modèle atomique de Thomson. L'atome était visuellement considéré comme une masse uniformément chargée positivement (le « pudding » ou la « pâte ») avec des électrons dispersés partout (comme des « prunes ») pour équilibrer les charges.
Le modèle du plum pudding s'est avéré incorrect, mais il a offert la première tentative d'incorporation d'une particule subatomique dans une théorie atomique. En 1911, Ernest Rutherford - un ancien élève de J. J. Thomson - a prouvé cette théorie incorrecte en expérimentant et en émettant des hypothèses sur le noyau.
Invention du spectromètre de masse
Un spectromètre de masse est similaire à un tube à rayons cathodiques, bien que son faisceau soit constitué de rayons anodiques, ou de charges positives, plutôt que d'électrons. Comme chez J. J. Dans les expériences électroniques de Thomson, les ions positifs sont déviés d'une trajectoire rectiligne par des champs électriques et magnétiques.
Thomson a amélioré le tube à rayons anodiques connu en fixant un écran semblable à un oscilloscope au point de détection. L'écran était recouvert d'un matériau fluorescent lorsqu'il était touché par les rayons.
Une fois qu'une particule chargée passe par un champ magnétique, elle est déviée. Cette déviation est proportionnelle au rapport masse sur charge (m/e). Les déflexions, qui sont des portions d'une parabole, pourraient être enregistrées avec précision contre l'écran. Chaque espèce envoyée à travers le tube à rayons de l'anode a une parabole distincte.
Lorsque des espèces légères ont pénétré trop profondément l'écran, J. J. Thomson a construit une fente dans le tube où l'écran serait assis. Cela lui a permis de tracer l'intensité par rapport à la masse relative et a créé le premier spectromètre de masse.
Thomson a développé le spectromètre de masse avec son étudiant chercheur François-Guillaume Aston. Aston a poursuivi ces recherches et a remporté un prix Nobel en 1922 pour son travail.
Découverte des isotopes
J. J. Thomson et Aston ont utilisé le spectromètre de masse pour identifier les ions positifs d'hydrogène et d'hélium. En 1912, ils ont tiré du néon ionisé dans les champs électriques et magnétiques. Deux modèles distincts pour le faisceau ont émergé: un avec une masse atomique de 20 et une parabole plus faible de masse 22.
Après avoir suggéré des impuretés, il s'est rendu compte que cette parabole plus faible était une forme de néon plus lourde. Cela indiquait deux atomes de néon avec des masses différentes, mieux connus sous le nom d'isotopes.
Rappelons qu'un isotope est la variation du nombre de neutrons dans le noyau. Avec un isotope, l'identité de l'élément reste la même, mais il a un nombre différent de neutrons dans le noyau. J. J. Thomson et Aston ont conclu à la masse plus élevée d'un autre isotope du néon sans avoir l'avantage de connaître l'existence des neutrons (découvert par James Chadwick en 1932).
J.J. Thomson: Contribution à la science
En 1906, J. J. Thompson a reçu le prix Nobel en Physique « en reconnaissance des grands mérites de ces recherches théoriques et expérimentales sur la conduction de l'électricité par les gaz. Thomson est crédité d'avoir identifié les électrons comme des particules d'un atome.
Bien que de nombreux autres scientifiques aient fait des observations de particules atomiques à l'époque des expériences de Thomson, ses découvertes ont conduit à une nouvelle compréhension de l'électricité et des particules atomiques.
Thomson est à juste titre crédité de la découverte de l'isotope et ses expériences avec des particules chargées positivement ont conduit au développement du spectromètre de masse. Ces réalisations ont contribué à l'évolution des connaissances et des découvertes en physique et en chimie qui se sont poursuivies jusqu'à nos jours.
J. J. Thomson meurt en août 1940 à Cambridge et est enterré dans l'abbaye de Westminster près d'Isaac Newton et de Charles Darwin.