Welke bijdragen heeft J.J. Thomson naar het atoom?

De bijdragen van Joseph John Thomson aan de wetenschap hebben een revolutie teweeggebracht in het begrip van de atomaire structuur. Hoewel een wiskundige en een experimenteel natuurkundige van opleiding, J. J. Thomson heeft veel bijgedragen aan de chemie door het bestaan ​​van elektronen te ontdekken, de massaspectrometer te ontwikkelen en de aanwezigheid van isotopen te bepalen.

J. J. Thomson werd geboren in Manchester, Engeland, in 1856. Zijn vader verwachtte dat hij ingenieur zou worden. Toen een technische stage niet uitkwam, werd hij op 14-jarige leeftijd naar Owen College gestuurd. Na het overlijden van J. J.'s vader, waren de kosten van een ingenieursopleiding niet te overzien. In plaats daarvan ontving hij in 1876 een studiebeurs aan het Trinity College in Cambridge om wiskunde studeren.

Na het bijwonen van Trinity College, werd Thomson in 1880 Fellow van Trinity College. Hij bleef als professor aan het Trinity voor het geheel van zijn carrière. Op 28-jarige leeftijd volgde hij Lord Rayleigh (ontdekker van argon en onderzoeker van dichtheden van gassen) op als Cavendish Professor of Experimental Physics in Cambridge in 1884.

Thomson, als hoogleraar experimentele natuurkunde, probeerde wiskundige modellen te bouwen om de aard van atomen en elektromagnetisme.

Hij begon kathodestralen te bestuderen in 1894. Er werd destijds weinig begrepen over kathodestralen, behalve dat het een gloeiende lichtstraal in een hoogvacuüm glazen buis was. Een kathodestraalbuis is een holle glazen langwerpige houder waar de lucht wordt verwijderd om een ​​vacuüm te creëren. Aan de kathode wordt een hoge spanning aangelegd en dit veroorzaakt een groene gloed aan het andere uiteinde van de glazen buis.

Het idee dat kleine deeltjes elektriciteit doorgaven, was in de jaren 1830 geopperd. Toen Thomson de kathodestralen door de lucht liet reizen versus een vacuüm, ontdekte hij dat ze een grote afstand aflegden voordat ze werden gestopt; ze reisden zelfs verder in een vacuüm. Hij dacht dat de deeltjes kleiner moesten zijn dan de geschatte grootte van atomen.

Om zijn hypothese te testen dat de kathodestraaldeeltjes kleiner waren dan de grootte van atomen, onderzocht Thomson verbeterde zijn experimentele apparaat en begon de kathodestralen af ​​te buigen met elektrische en magnetische velden. Zijn doel was om erachter te komen of deze deeltjes een positieve of negatieve lading hadden. Ook zou de afbuigingshoek hem in staat stellen de massa te schatten.

Na het meten van de hoek waaronder deze stralen werden afgebogen, berekende hij de verhouding van elektrische lading tot de massa van de deeltjes. Thomson ontdekte dat de verhouding hetzelfde bleef, ongeacht welk gas in het experiment werd gebruikt. Hij stelde dat de deeltjes in de gassen waren: universeel en niet afhankelijk van de samenstelling van het gebruikte gas.

Tot J. J. Thomson's experimenten met kathodestraaldeeltjes, geloofde de wetenschappelijke wereld dat atomen de kleinste deeltjes in het universum waren. Meer dan 2000 jaar lang werd het atoom beschouwd als het kleinst mogelijke deeltje, en de Griekse filosoof Democritis noemde dit kleinste deeltje atomen voor onbreekbaar.

De wereld ving nu voor het eerst een glimp op van een subatomair deeltje. De wetenschap zou voor altijd veranderen. Elk nieuw model van het atoom moet bevatten: subatomische deeltjes.

Thomson noemde deze deeltjes bloedlichaampjes. En hoewel hij gelijk had over het bestaan ​​van de deeltjes, veranderde de naam die hij ze gaf: deze negatief geladen deeltjes staan ​​nu bekend als elektronen.

Met dit nieuwe subatomaire deeltje, J. J. Thomson produceerde een nieuw atoommodel, of atoomtheorie, met betrekking tot de structuur van het atoom.

De theorie van Thomson staat nu bekend als de pruimenpudding atoommodel of Thomson atoommodel. Het atoom werd visueel gezien als een uniform positief geladen massa (de "pudding" of "deeg") met de elektronen overal verspreid (zoals "pruimen") om de ladingen in evenwicht te brengen.

Het pruimenpuddingmodel bleek onjuist, maar het bood de eerste poging om een ​​subatomair deeltje in een atoomtheorie op te nemen. In 1911, Ernest Rutherford - een voormalig student van J. J. Thomson - bewees dat deze theorie onjuist was door te experimenteren en de kern te hypothetiseren.

Een massaspectrometer is vergelijkbaar met een kathodestraalbuis, hoewel de straal is gemaakt van anodestralen, of positieve ladingen, in plaats van elektronen. Zoals bij j. J. Thomson's elektronenexperimenten, worden de positieve ionen van een recht pad afgebogen door elektrische en magnetische velden.

Thomson verbeterde de bekende anodestraalbuis door op het detectiepunt een oscilloscoopachtig scherm te bevestigen. Het scherm was bedekt met een materiaal dat fluoresceerde als het door de stralen werd geraakt.

Zodra een geladen deeltje een magnetisch veld passeert, wordt het afgebogen. Deze doorbuiging is evenredig met de massa-tot-ladingverhouding (m/e). De doorbuigingen, die deel uitmaken van een parabool, zouden nauwkeurig tegen het scherm kunnen worden geregistreerd. Elke soort die door de anodestraalbuis wordt gestuurd, heeft een afzonderlijke parabool.

Toen lichtgewicht soorten te diep in het scherm drongen, J. J. Thomson construeerde een spleet in de buis waar het scherm zou zitten. Hierdoor kon hij de intensiteit uitzetten tegen de relatieve massa en creëerde hij de eerste massaspectrometer.

Thomson ontwikkelde de massaspectrometer samen met zijn student-onderzoeker Francis William Aston. Aston zette dit onderzoek voort en won in 1922 een Nobelprijs voor zijn werk.

J. J. Thomson en Aston gebruikten de massaspectrometer om positieve ionen van waterstof en helium te identificeren. In 1912 schoten ze geïoniseerd neon in de elektrische en magnetische velden. Er kwamen twee afzonderlijke patronen voor de straal naar voren: een met een atomaire massa van 20 en een zwakkere parabool van massa 22.

Nadat hij onzuiverheden had gesuggereerd, realiseerde hij zich dat deze zwakkere parabool een zwaardere vorm van neon was. Dit duidde op twee atomen neon met verschillende massa's, beter bekend als isotopen.

Bedenk dat een isotoop de verandering is in het aantal neutronen in de kern. Bij een isotoop blijft de identiteit van het element hetzelfde, maar heeft het een ander aantal neutronen in de kern. J. J. Thomson en Aston concludeerden de hogere massa van een andere neonisotoop zonder het voordeel te hebben van het bestaan ​​van neutronen (ontdekt door James Chadwick in 1932).

In 1906 heeft J. J. Thompson ontving de Nobelprijs in Physics "als erkenning voor de grote verdiensten van dit theoretische en experimentele onderzoek naar de" geleiding van elektriciteit door gassen.” Thomson wordt gecrediteerd met het identificeren van elektronen als deeltjes van een atoom.

Hoewel veel andere wetenschappers in de tijd van Thomsons experimenten waarnemingen deden van atoomdeeltjes, leidden zijn ontdekkingen tot een nieuw begrip van elektriciteit en atoomdeeltjes.

Thomson wordt terecht gecrediteerd voor de ontdekking van de isotoop en zijn experimenten met positief geladen deeltjes leidden tot de ontwikkeling van de massaspectrometer. Deze prestaties hebben bijgedragen aan de evolutie van kennis en ontdekkingen in de natuurkunde en scheikunde die tot op heden zijn doorgegaan.

J. J. Thomson stierf in augustus 1940 in Cambridge en wordt begraven in Westminster Abbey in de buurt van Isaac Newton en Charles Darwin.