I contributi di Joseph John Thomson alla scienza hanno contribuito a rivoluzionare la comprensione della struttura atomica. Sebbene fosse un matematico e un fisico sperimentale di formazione, J. J. Thomson ha contribuito ampiamente al campo della chimica scoprendo l'esistenza degli elettroni, sviluppando lo spettrometro di massa e determinando la presenza di isotopi.
Il primo interesse di Thomson per la scienza
J. J. Thomson nacque a Manchester, in Inghilterra, nel 1856. Suo padre si aspettava che fosse un ingegnere. Quando un apprendistato di ingegneria non si è concretizzato, è stato inviato, a 14 anni, all'Owen College. Dopo la morte di J. Il padre di J., il costo di un apprendistato di ingegneria era ingestibile. Invece, nel 1876, ricevette una borsa di studio al Trinity College di Cambridge per studiare matematica.
Dopo aver frequentato il Trinity College, Thomson divenne Fellow del Trinity College nel 1880. Rimase come professore al Trinity per tutta la sua carriera. All'età di 28 anni, succedette a Lord Rayleigh (scopritore dell'argon e investigatore delle densità dei gas) come Cavendish Professor of Experimental Physics a Cambridge nel 1884.
J.J. Thomson: L'inizio dell'esperimento
Thomson, come professore di fisica sperimentale, tentò di costruire modelli matematici per spiegare la natura di nature atomi ed elettromagnetismo.
Ha iniziato a studiare i raggi catodici nel 1894. All'epoca si capiva poco sui raggi catodici oltre ad essere un raggio di luce incandescente in un tubo di vetro ad alto vuoto. Un tubo a raggi catodici è un contenitore oblungo di vetro cavo in cui l'aria viene rimossa per creare un vuoto. Al catodo viene applicata un'alta tensione, che provoca un bagliore verde all'estremità opposta del tubo di vetro.
L'idea che minuscole particelle trasmettessero elettricità era stata proposta negli anni '30 dell'Ottocento. Quando Thomson permise ai raggi catodici di viaggiare attraverso l'aria anziché nel vuoto, scoprì che viaggiavano a grande distanza prima di essere fermati; viaggiarono ancora più lontano nel vuoto. Pensava che le particelle dovessero essere più piccole della dimensione stimata degli atomi.
J.J. Thomson: esperimenti con la deflessione dei raggi catodici
Per verificare la sua ipotesi che le particelle del raggio catodico fossero più piccole della dimensione degli atomi, Thomson migliorò il suo apparato sperimentale e iniziò a deviare i raggi catodici con energia elettrica e magnetica campi. Il suo obiettivo era scoprire se queste particelle contenevano una carica positiva o negativa. Inoltre, l'angolo di deflessione gli consentirebbe di stimare la massa.
Dopo aver misurato l'angolo con cui questi raggi venivano deviati, calcolò il rapporto tra la carica elettrica e la massa delle particelle. Thomson ha scoperto che il rapporto è rimasto lo stesso indipendentemente dal gas utilizzato nell'esperimento. Ha postulato che le particelle contenute nei gas fossero universale e non dipendente dalla composizione del gas utilizzato.
J.J. Thomson: Modello di Atom
Fino a J. J. Negli esperimenti di Thomson con le particelle di raggi catodici, il mondo scientifico credeva che gli atomi fossero le particelle più piccole dell'universo. Per oltre 2000 anni l'atomo è stato considerato la particella più piccola possibile e il filosofo greco Democritis ha chiamato questa particella più piccola atomico per non tagliabile.
Il mondo ora ha visto per la prima volta una particella subatomica. La scienza sarebbe cambiata per sempre. Ogni nuovo modello dell'atomo deve contenere particelle subatomiche.
Thomson chiamò queste particelle corpuscoli. E mentre aveva ragione sull'esistenza delle particelle, il nome che ha dato loro è cambiato: queste particelle cariche negativamente sono ora conosciute come elettroni.
J.J. Thomson: Teoria Atomica
Con questa nuova particella subatomica, J. J. Thomson ha prodotto un nuovo modello atomico, o teoria atomica, riguardante la struttura dell'atomo.
La teoria di Thomson è ora conosciuta come la budino di prugne modello atomico o Modello atomico Thomson. L'atomo era visivamente pensato come una massa uniformemente caricata positivamente (il "budino" o "impasto") con gli elettroni sparsi ovunque (come le "prugne") per bilanciare le cariche.
Il modello del budino di prugne si rivelò errato, ma offrì il primo tentativo di incorporare una particella subatomica in una teoria atomica. Nel 1911, Ernest Rutherford, un ex studente di J. J. Thomson - ha dimostrato questa teoria errata sperimentando e ipotizzando il nucleo.
Invenzione dello spettrometro di massa
Uno spettrometro di massa è simile a un tubo a raggi catodici, sebbene il suo raggio sia costituito da raggi anodici, o cariche positive, piuttosto che da elettroni. Come in J. J. Negli esperimenti sugli elettroni di Thomson, gli ioni positivi vengono deviati da un percorso rettilineo da campi elettrici e magnetici.
Thomson ha migliorato il noto tubo a raggi anodici collegando uno schermo simile a un oscilloscopio al punto di rilevamento. Lo schermo era rivestito con un materiale che emetteva fluorescenza quando veniva colpito dai raggi.
Una volta che una particella carica passa da un campo magnetico, viene deviata. Questa deflessione è proporzionale al rapporto massa/carica (m/e). Le deviazioni, che sono porzioni di una parabola, potrebbero essere registrate accuratamente contro lo schermo. Ogni specie inviata attraverso il tubo a raggi anodici ha una parabola separata.
Quando le specie leggere penetravano troppo in profondità nello schermo, J. J. Thomson ha costruito una fessura nel tubo dove si sarebbe posizionato lo schermo. Ciò gli ha permesso di tracciare l'intensità rispetto alla massa relativa e ha creato il primo spettrometro di massa.
Thomson ha sviluppato lo spettrometro di massa insieme al suo studente ricercatore Francis William Aston. Aston ha continuato questa ricerca e ha vinto un premio Nobel nel 1922 per il suo lavoro.
Scoperta degli isotopi
J. J. Thomson e Aston hanno utilizzato lo spettrometro di massa per identificare gli ioni positivi di idrogeno ed elio. Nel 1912, hanno sparato neon ionizzato nei campi elettrici e magnetici. Sono emersi due modelli separati per il raggio: uno con massa atomica di 20 e una parabola più debole di massa 22.
Dopo aver suggerito le impurità, si rese conto che questa parabola più debole era una forma di neon più pesante. Questo indicava due atomi di neon con masse diverse, meglio conosciuti come isotopi.
Ricordiamo che un isotopo è la variazione del numero di neutroni all'interno del nucleo. Con un isotopo, l'identità dell'elemento rimane la stessa, ma ha un diverso numero di neutroni nel nucleo. J. J. Thomson e Aston conclusero la massa maggiore di un altro isotopo del neon senza avere il vantaggio di conoscere l'esistenza dei neutroni (scoperto da James Chadwick nel 1932).
J.J. Thomson: contributo alla scienza to
Nel 1906 J.J. J. Thompson ha ricevuto il premio Nobel in Fisica “in riconoscimento dei grandi meriti di queste indagini teoriche e sperimentali sulla conduzione di elettricità da parte dei gas”. Thomson è accreditato con l'identificazione di elettroni come particelle di an atomo.
Sebbene molti altri scienziati abbiano fatto osservazioni di particelle atomiche durante il periodo degli esperimenti di Thomson, le sue scoperte hanno portato a una nuova comprensione dell'elettricità e delle particelle atomiche.
A Thomson è giustamente attribuita la scoperta dell'isotopo e i suoi esperimenti con particelle cariche positivamente hanno portato allo sviluppo dello spettrometro di massa. Questi risultati hanno contribuito all'evoluzione della conoscenza e della scoperta in fisica e chimica che sono continuate fino ad oggi.
J. J. Thomson morì nell'agosto 1940 a Cambridge ed è sepolto nell'Abbazia di Westminster vicino a Isaac Newton e Charles Darwin.