რა წვლილი შეიტანა ჯ. ტომსონი ატომს?

ჯოზეფ ჯონ ტომსონის კონტრიბუციამ მეცნიერებაში ხელი შეუწყო რევოლუციას ატომური სტრუქტურის გაგებაში. მიუხედავად იმისა, რომ მათემატიკოსი და ექსპერიმენტული ფიზიკოსი ტრენინგის გზით, ჯ. ჯ. ტომსონმა დიდი წვლილი შეიტანა ქიმიის სფეროში ელექტრონების არსებობის აღმოჩენის, მასობრივი სპექტრომეტრის შექმნისა და იზოტოპების არსებობის დადგენის გზით.

ჯ. ჯ. ტომსონი დაიბადა მანჩესტერში, ინგლისში, 1856 წელს. მამა ელოდა, რომ ის ინჟინერი იქნებოდა. როდესაც საინჟინრო შეგირდობა არ განხორციელდა, იგი 14 წლის ასაკში ოუენის კოლეჯში გაგზავნეს. ჯ. ჯ. მამა, საინჟინრო შეგირდობის ღირებულება უმართავი იყო. ამის ნაცვლად, 1876 წელს მან მიიღო სტიპენდია კემბრიჯის სამების კოლეჯში მათემატიკის შესწავლა.

სამების კოლეჯში სწავლის შემდეგ, ტომსონი გახდა სამების კოლეჯის სტიპენდიანტი 1880 წელს. იგი დარჩა სამების პროფესორის თანამდებობაზე მთელი თავისი კარიერის განმავლობაში. 28 წლის ასაკში იგი შეცვალა ლორდ რეილეი (არგონის აღმომჩენი და გაზების სიმკვრივის გამომძიებელი), როგორც კავრიდიშის ექსპერიმენტული ფიზიკის პროფესორი კავენდიში, 1884 წელს.

ტომსონი, როგორც ექსპერიმენტული ფიზიკის პროფესორი, ცდილობდა აეშენებინა მათემატიკური მოდელები ბუნების ასახსნელად ატომები და ელექტრომაგნეტიზმი.

მან დაიწყო კათოდური სხივების შესწავლა 1894 წელს. იმ დროს ცოტა რამ იყო გაგებული კათოდური სხივების შესახებ, გარდა იმისა, რომ მანკიერი შუქის სხივი იყო მაღალი ვაკუუმიანი მინის მილში. კათოდური სხივი არის ღრუ შუშის მოგრძო კონტეინერი, სადაც ჰაერი იხსნება ვაკუუმის შესაქმნელად. კათოდზე გამოიყენება მაღალი ძაბვა და ეს იწვევს შუშის მილის მოპირდაპირე მხარეს მწვანე ბრწყინავს.

იდეა იმის შესახებ, რომ პატარა ნაწილაკები ელექტროენერგიას გადასცემდნენ, შემოთავაზებული იყო 1830-იან წლებში. როდესაც ტომსონმა კათოდურ სხივებს ჰაერში ვაკუუმისა და ვაკუუმის გადაადგილების საშუალება მისცა, მან აღმოაჩინა, რომ მათ გრძელი მანძილი გაიარეს, სანამ გაჩერდებოდა; ისინი ვაკუუმში კიდევ უფრო შორს მოგზაურობდნენ. მისი აზრით, ნაწილაკები ატომების სავარაუდო ზომაზე ნაკლები უნდა იყოს.

მისი ჰიპოთეზის შესამოწმებლად, რომ კათოდური სხივების ნაწილაკები უფრო მცირეა, ვიდრე ატომების ზომა, ტომსონი გააუმჯობესა მისი ექსპერიმენტული აპარატი და დაიწყო კათოდური სხივების ელექტრული და მაგნიტური გადახრა ველები. მისი მიზანი იყო გაერკვია, ჰქონდათ თუ არა ამ ნაწილაკებს დადებითი ან უარყოფითი მუხტი. ასევე, გადახრის კუთხე მას საშუალებას მისცემს მასა შეაფასოს.

ამ სხივების გადახრის კუთხის გაზომვის შემდეგ მან გამოანგარიშა ელექტრული მუხტის თანაფარდობა ნაწილაკების მასასთან. ტომსონის თანახმად, თანაფარდობა იგივე დარჩა, მიუხედავად იმისა, თუ რომელი აირი გამოიყენებოდა ექსპერიმენტში. მან დაადგინა, რომ გაზებში შემავალი ნაწილაკები იყო უნივერსალური და არ არის დამოკიდებული გამოყენებული გაზის შემადგენლობაზე.

სანამ ჯ. ჯ. ტომსონის ექსპერიმენტები კათოდური სხივების ნაწილაკებზე, სამეცნიერო სამყარო თვლიდა, რომ ატომები სამყაროს ყველაზე პატარა ნაწილაკები იყო. 2000 წელზე მეტი ხნის განმავლობაში ატომი ითვლებოდა მინიმალურ ნაწილაკად და ბერძენმა ფილოსოფოსმა დემოკრიტმა დაასახელა ეს ყველაზე პატარა ნაწილაკი ატომოსი ამისთვის გაუსაძლისი.

სამყაროს ახლა პირველი შეხედულება ჰქონდა სუბატომურ ნაწილაკზე. მეცნიერება სამუდამოდ შეიცვლებოდა. ატომის ნებისმიერი ახალი მოდელი უნდა შეიცავდეს სუბატომური ნაწილაკები.

ტომსონმა ამ ნაწილაკებს კორპუსკულებს უწოდა. მიუხედავად იმისა, რომ იგი სწორი იყო ნაწილაკების არსებობის შესახებ, სახელი მან შეიცვალა: ეს უარყოფითად დამუხტული ნაწილაკები ახლა ელექტრონების სახელითაა ცნობილი.

ამ ახალი სუბატომური ნაწილაკით ჯ. ჯ. ტომსონმა ატომური სტრუქტურის შესახებ ახალი ატომური მოდელი ან ატომური თეორია წარმოშვა.

ტომსონის თეორია ახლა ცნობილია როგორც ქლიავის პუდინგის ატომური მოდელი ან ტომსონის ატომური მოდელი. ატომი ვიზუალურად მოიაზრებოდა, როგორც ერთნაირად დადებითად დამუხტული მასა ("პუდინგი" ან "ცომი") ელექტრონებით, რომლებიც მიმოფანტულია ("ქლიავივით"), მუხტების დაბალანსების მიზნით.

ქლიავის პუდინგის მოდელი არასწორი აღმოჩნდა, მაგრამ მან შესთავაზა სუბატომური ნაწილაკის ატომურ თეორიაში შეყვანის პირველი მცდელობა. 1911 წელს ერნესტ რეზერფორდი - ჯ. ჯ. ტომსონმა - ეს თეორია არასწორი დაადასტურა ბირთვის ექსპერიმენტებით და ჰიპოთეზით.

მასის სპექტრომეტრი მსგავსია კათოდური სხივის მილის, თუმცა მისი სხივი უფრო მეტად ანოდური სხივებისგან ან დადებითი მუხტებისგან შედგება, ვიდრე ელექტრონებისა. როგორც ჯ. ჯ. ტომსონის ელექტრონულ ექსპერიმენტებს, პოზიტიურ იონებს სწორი გზიდან გადააქვთ ელექტრული და მაგნიტური ველები.

ტომსონმა გააუმჯობესა ანოდის სხივის ცნობილი მილის გამოვლენის წერტილში ოსცილოსკოპის მსგავსი ეკრანის მიმაგრება. ეკრანი დაფარული იყო მასალით, რომელიც ხდება სხივების მოხვედრისას.

მას შემდეგ, რაც დამუხტული ნაწილაკი გაივლის მაგნიტურ ველს, ის გადაიხრება. ეს გადახრა პროპორციულია მასისა და მუხტის თანაფარდობისთვის (მ / ე). გადახრა, რომელიც პარაბოლის ნაწილია, შეიძლება ზუსტად დაფიქსირდეს ეკრანის საწინააღმდეგოდ. ანოდის სხივის მილით გაგზავნილ თითოეულ სახეობას აქვს ცალკე პარაბოლა.

როდესაც მსუბუქმა სახეობებმა ძალიან ღრმად შეაღწიეს ეკრანზე, ჯ. ჯ. ტომსონმა მილის ნაჭერი ააწყო, სადაც ეკრანი იჯდებოდა. ამან მას საშუალება მისცა შეედგინა ინტენსივობა ფარდობითი მასის წინააღმდეგ და შექმნა პირველი მასობრივი სპექტრომეტრი.

ტომსონმა თავის სტუდენტ მკვლევართან ერთად შექმნა მასობრივი სპექტრომეტრი ფრენსის უილიამ ასტონი. ასტონმა განაგრძო ეს კვლევა და 1922 წელს ნობელის პრემია მოიპოვა თავისი მოღვაწეობისთვის.

ჯ. ჯ. ტომსონმა და ასტონმა გამოიყენეს მასობრივი სპექტრომეტრი წყალბადის და ჰელიუმის დადებითი იონების დასადგენად. 1912 წელს მათ იონიზირებული ნეონი გაუშვეს ელექტრო და მაგნიტურ ველებში. გაჩნდა სხივის ორი ცალკეული ნიმუში: ერთი ატომური მასით 20 და სუსტი პარაბოლით მასით 22.

მინარევების შემოთავაზების შემდეგ, მან მიხვდა, რომ ეს უფრო სუსტი პარაბოლა ნეონის უფრო მძიმე ფორმა იყო. ეს მიუთითებდა ნეონის ორ ატომზე, რომელთაც განსხვავებული მასა აქვთ, უფრო მეტად ცნობილი როგორც იზოტოპები.

შეგახსენებთ, რომ იზოტოპი არის ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობის ცვლილება. იზოტოპით, ელემენტის იდენტურობა იგივე რჩება, მაგრამ მას ბირთვში განსხვავებული ნეიტრონების რაოდენობა აქვს. ჯ. ჯ. ტომსონმა და ასტონმა დაასკვნეს სხვა ნეონის იზოტოპის უმაღლესი მასა ისე, რომ არ ისარგებლეს ნეიტრონების არსებობით (აღმოაჩინა ჯეიმს ჩადვიკმა 1932 წელს).

1906 წელს ჯ. ჯ. ტომპსონმა მიიღო ნობელის პრემია ფიზიკაში ”ამ თეორიული და ექსპერიმენტული გამოკვლევების უდიდესი დამსახურების აღიარებით გაზების მიერ ელექტროენერგიის გატარება. ” ტომსონს მიეკუთვნება ელექტრონების იდენტიფიკაცია, როგორც ნაწილაკები ატომი.

მიუხედავად იმისა, რომ ტომსონის ექსპერიმენტების დროს მრავალი სხვა მეცნიერი ატარებდა ატომურ ნაწილაკებს, მისმა აღმოჩენებმა ელექტროენერგიისა და ატომური ნაწილაკების ახალი გაგება გამოიწვია.

ტომსონს სამართლიანად მიაწერენ იზოტოპის აღმოჩენას და მისმა ექსპერიმენტებმა დატვირთულ ნაწილაკებზე გამოიწვია მასის სპექტრომეტრის განვითარება. ამ მიღწევებმა ხელი შეუწყო ფიზიკისა და ქიმიის ცოდნის განვითარებას და აღმოჩენას, რაც დღემდე გრძელდება.

ჯ. ჯ. ტომსონი გარდაიცვალა 1940 წლის აგვისტოში კემბრიჯში და დაკრძალულია ვესტმინსტერის სააბატოში ისააკ ნიუტონისა და ჩარლზ დარვინის მახლობლად.