Doprinosi Joseph Johna Thomsona znanosti pomogli su u revoluciji u razumijevanju atomske strukture. Iako matematičar i eksperimentalni fizičar po struci, J. J. Thomson je uvelike dao svoj doprinos polju kemije otkrivajući postojanje elektrona, razvijajući maseni spektrometar i određujući prisutnost izotopa.
Thomsonovo rano zanimanje za znanost
J. J. Thomson je rođen u Manchesteru u Engleskoj 1856. godine. Otac je očekivao da će biti inženjer. Kad se inženjersko naukovanje nije ostvarilo, poslan je s 14 godina na koledž Owen. Nakon smrti J. J.-ovog oca, trošak inženjerskog naukovanja bio je neukrotiv. Umjesto toga, 1876. godine dobio je stipendiju za Trinity College u Cambridgeu studij matematike.
Nakon pohađanja Trinity Collegea, Thomson je 1880. godine postao suradnik Trinity Collegea. Tijekom cijele karijere ostao je kao profesor na Trinityju. U dobi od 28 godina naslijedio je Lorda Rayleigha (otkrivača argona i istraživača gustoće plinova) na mjestu Cavendish profesora eksperimentalne fizike na Cambridgeu 1884. godine.
J.J. Thomson: Počeci eksperimenta
Thomson, kao profesor eksperimentalne fizike, pokušao je izgraditi matematičke modele kako bi objasnio prirodu atoma i elektromagnetizma.
Katodne zrake počeo je proučavati 1894. godine. U to se vrijeme malo razumijevalo o katodnim zrakama, osim što su užareni zraci svjetlosti u visokovakuumskoj staklenoj cijevi. Katodna cijev je šuplja staklena duguljasta posuda u kojoj se zrak uklanja kako bi se stvorio vakuum. Na katodi se primjenjuje visoki napon, što uzrokuje zeleni sjaj na suprotnom kraju staklene cijevi.
Ideja da su sitne čestice prenijele električnu energiju predložena je 1830-ih. Kada je Thomson dopustio da katodne zrake putuju zrakom u odnosu na vakuum, otkrio je da su putovale daleko prije nego što su zaustavljene; putovali su još dalje u vakuumu. Smatrao je da čestice moraju biti manje od procijenjene veličine atoma.
J.J. Thomson: Eksperimenti s otklonom katodnih zraka
Da bi testirao svoju hipotezu da su čestice katodnih zraka manje od veličine atoma, Thomson usavršio svoj eksperimentalni aparat i počeo odbijati katodne zrake električnim i magnetskim polja. Cilj mu je bio utvrditi imaju li ove čestice pozitivan ili negativan naboj. Također, kut otklona omogućio bi mu da procijeni masu.
Nakon mjerenja kuta pod kojim su te zrake bile skrenute, izračunao je omjer električnog naboja i mase čestica. Thomson je otkrio da je omjer ostao isti bez obzira na to koji je plin korišten u eksperimentu. Pretpostavio je da su čestice sadržane u plinovima univerzalni a ne ovisi o sastavu upotrijebljenog plina.
J.J. Thomson: Model atoma
Sve do J. J. Thomsonovi eksperimenti s česticama katodnih zraka, znanstveni svijet vjerovao je da su atomi najmanje čestice u svemiru. Više od 2000 godina atom se smatrao najmanjom mogućom česticom, a grčki filozof Demokritis imenovao je ovu najmanju česticu atomos za neizrezivo.
Svijet je sada prvi put ugledao subatomsku česticu. Znanost bi bila zauvijek promijenjena. Svaki novi model atoma mora sadržavati subatomske čestice.
Thomson je te čestice nazvao tjelesnim tijelima. I dok je bio u pravu u vezi s postojanjem čestica, ime koje im je dao promijenilo se: Ove negativno nabijene čestice danas su poznate kao elektroni.
J.J. Thomson: Atomska teorija
S ovom novom subatomskom česticom, J. J. Thomson je izradio novi atomski model, odnosno atomsku teoriju, koji se odnosi na strukturu atoma.
Thomsonova teorija sada je poznata kao atomski model pudinga od šljive ili Thomsonov atomski model. Atom se vizualno smatrao jednoliko pozitivno nabijenom masom („puding“ ili „tijesto“) s elektronima raspršenim po cijelom tijelu (poput „šljiva“) radi uravnoteženja naboja.
Model pudinga od šljive pokazao se netočnim, ali ponudio je prvi pokušaj uključivanja subatomske čestice u atomsku teoriju. 1911. Ernest Rutherford - bivši student J. J. Thomson - dokazao je da je ova teorija netočna eksperimentiranjem i pretpostavkom jezgre.
Izum masenog spektrometra
Maseni spektrometar sličan je katodnoj cijevi, iako je njegova zraka izrađena od anodnih zraka ili pozitivnih naboja, a ne od elektrona. Kao i kod J. J. Thomsonovi eksperimenti s elektronima, pozitivni ioni skreću se s ravnog puta električnim i magnetskim poljima.
Thomson je poboljšao poznatu anodnu zračnicu pričvrstivši zaslon sličan osciloskopu na točku detekcije. Zaslon je bio presvučen materijalom koji je fluorescirao pri udaru zraka.
Jednom kad nabijena čestica prođe magnetsko polje, ona se skrene. Ovaj otklon proporcionalan je omjeru mase i naboja (m / e). Otkloni, koji su dijelovi parabole, mogli bi se točno zabilježiti na ekranu. Svaka vrsta poslana kroz anodnu zračnu cijev ima zasebnu parabolu.
Kad su lagane vrste preduboko prodrle na zaslon, J. J. Thomson je napravio cijev u cijevi na kojoj bi zaslon sjedio. To mu je omogućilo da crta intenzitet prema relativnoj masi i stvorio je prvi maseni spektrometar.
Thomson je razvio spektrometar masa zajedno sa svojim studentom istraživačem Francis William Aston. Aston je nastavio ovo istraživanje i za svoj rad 1922. dobio Nobelovu nagradu.
Otkriće izotopa
J. J. Thomson i Aston koristili su maseni spektrometar za identificiranje pozitivnih iona vodika i helija. 1912. ispaljivali su ionizirani neon u električno i magnetsko polje. Pojavila su se dva odvojena uzorka snopa: jedan s atomskom masom 20 i slabijom parabolom mase 22.
Nakon sugeriranja nečistoća, shvatio je da je ta slabija parabola teži oblik neona. To je ukazivalo na dva atoma neona s različitim masama, poznatijim kao izotopi.
Prisjetimo se da je izotop promjena u broju neutrona unutar jezgre. S izotopom identitet elementa ostaje isti, ali u jezgri ima različit broj neutrona. J. J. Thomson i Aston zaključili su veću masu drugog neonskog izotopa, a da nisu imali koristi od saznanja o postojanju neutrona (otkrio James Chadwick 1932.).
J.J. Thomson: Doprinos znanosti
1906. godine J. J. Thompson je dobio Nobelova nagrada u fizici "uvažavajući velike zasluge ovih teorijskih i eksperimentalnih istraživanja na provođenje električne energije plinovima. " Thomson je zaslužan za identificiranje elektrona kao čestica an atom.
Iako su mnogi drugi znanstvenici promatrali atomske čestice u vrijeme Thomsonovih eksperimenata, njegova su otkrića dovela do novog razumijevanja električne energije i atomskih čestica.
Thomson je s pravom zaslužan za otkriće izotopa i njegovi eksperimenti s pozitivno nabijenim česticama doveli su do razvoja masenog spektrometra. Ta su postignuća pridonijela evoluciji znanja i otkrića u fizici i kemiji koja su se nastavila do danas.
J. J. Thomson je umro u kolovozu 1940. u Cambridgeu i pokopan je u Westminsterskoj opatiji u blizini Isaaca Newtona i Charlesa Darwina.