Joseph John Thomsons bidrag til vitenskap bidro til å revolusjonere forståelsen av atomstrukturen. Selv om en matematiker og en eksperimentell fysiker ved opplæring, J. J. Thomson bidro mye til kjemifeltet ved å oppdage eksistensen av elektroner, utvikle massespektrometeret og bestemme tilstedeværelsen av isotoper.
Thomsons tidlige interesse for vitenskap
J. J. Thomson ble født i Manchester, England, i 1856. Faren forventet at han skulle bli ingeniør. Da ingeniørlærlingen ikke ble noe, ble han sendt 14 år gammel til Owen College. Etter J.s død J.s far, kostnadene ved en ingeniørlærling var ikke håndterbare. I stedet mottok han i 1876 et stipend til Trinity College i Cambridge til studere matematikk.
Etter å ha gått på Trinity College fortsatte Thomson å bli stipendiat i Trinity College i 1880. Han forble som professor ved Trinity hele karrieren. I en alder av 28 etterfulgte han Lord Rayleigh (oppdageren av argon og etterforsker av tetthet av gasser) som Cavendish Professor of Experimental Physics i Cambridge i 1884.
J.J. Thomson: Eksperimentets begynnelser
Thomson, som professor i eksperimentell fysikk, forsøkte å bygge matematiske modeller for å forklare arten av atomer og elektromagnetisme.
Han begynte å studere katodestråler i 1894. Lite ble forstått på det tidspunktet om katodestråler utover å være en glødende lysstråle i et høyt vakuum glassrør. Et katodestrålerør er en hul avlang beholder av glass hvor luften fjernes for å skape et vakuum. Ved katoden påføres en høy spenning, og dette forårsaker en grønn glød i motsatt ende av glassrøret.
Ideen om at små partikler overførte elektrisitet ble foreslått på 1830-tallet. Da Thomson lot katodestrålene bevege seg gjennom luft kontra et vakuum, fant han at de reiste langt før de ble stoppet; de reiste enda lenger i vakuum. Han trodde at partiklene måtte være mindre enn den estimerte størrelsen på atomer.
J.J. Thomson: Eksperimenter med katodestrålebøyning
For å teste hypotesen om at katodestrålepartiklene var mindre enn størrelsen på atomer, Thomson forbedret sitt eksperimentelle apparat og begynte å avlede katodestrålene med elektrisk og magnetisk Enger. Målet hans var å finne ut om disse partiklene hadde en positiv eller negativ ladning. Dessuten vil avbøyningsvinkelen tillate ham å estimere massen.
Etter å ha målt vinkelen som disse strålene ble avbøyd med, beregnet han forholdet mellom elektrisk ladning og massen av partiklene. Thomson fant forholdet forble det samme uansett hvilken gass som ble brukt i eksperimentet. Han postulerte at partiklene som var inne i gassene var universell og ikke avhengig av sammensetningen av gassen som benyttes.
J.J. Thomson: Model of Atom
Frem til J. J. Thomsons eksperimenter med katodestrålepartikler, trodde den vitenskapelige verden at atomer var de minste partiklene i universet. I over 2000 år ble atomet ansett som den minste mulige partikkelen, og den greske filosofen Democritis kåret denne minste partikkelen atomos til uklippbar.
Verden fikk nå sitt første glimt av en subatomær partikkel. Vitenskapen ville bli forandret for alltid. Enhver ny modell av atomet må inneholde subatomære partikler.
Thomson kalte disse partiklene kropp. Og mens han hadde rett i forhold til eksistensen av partiklene, endret navnet han ga dem: Disse negativt ladede partiklene er nå kjent som elektroner.
J.J. Thomson: Atomic Theory
Med denne nye subatomære partikkelen, J. J. Thomson produserte en ny atommodell, eller atomteori, angående atomets struktur.
Thomsons teori er nå kjent som plommepudding atommodell eller Thomson atommodell. Atomet ble visuelt sett på som en jevnt positivt ladet masse ("pudding" eller "deig") med elektronene spredt overalt (som "plommer") for å balansere ladningene.
Plommepudding-modellen viste seg å være feil, men den ga det første forsøket på å innlemme en subatomær partikkel i en atomteori. I 1911 Ernest Rutherford - en tidligere student av J. J. Thomson - beviste at denne teorien var feil ved å eksperimentere og hypotese kjernen.
Oppfinnelse av massespektrometer
Et massespektrometer ligner på et katodestrålerør, selv om strålen er laget av anodestråler, eller positive ladninger, snarere enn elektroner. Som i J. J. Thomsons elektroneksperimenter avbøyes de positive ionene fra en rett bane av elektriske og magnetiske felt.
Thomson forbedret det kjente anodestrålerøret ved å feste et oscilloskoplignende skjerm ved deteksjonspunktet. Skjermen var belagt med et materiale som fluorescerte når det ble truffet av strålene.
Når en ladet partikkel passerer et magnetfelt, blir den avbøyd. Denne nedbøyningen er proporsjonal med forholdet mellom masse og ladning (m / e). Avbøyningene, som er deler av en parabel, kan registreres nøyaktig mot skjermen. Hver art som sendes gjennom anodestrålerøret har en egen parabel.
Da lette arter trengte for dypt inn i skjermen, J. J. Thomson konstruerte en spalte i røret der skjermen ville sitte. Dette tillot ham å plotte intensitet mot relativ masse og opprettet det første massespektrometeret.
Thomson utviklet massespektrometeret sammen med studentforskeren Francis William Aston. Aston fortsatte denne undersøkelsen og vant en Nobelpris i 1922 for sitt arbeid.
Oppdagelse av isotoper
J. J. Thomson og Aston brukte massespektrometeret til å identifisere positive ioner av hydrogen og helium. I 1912 skjøt de ionisert neon i de elektriske og magnetiske feltene. To separate mønstre for strålen dukket opp: ett med atommasse på 20 og en svakere parabel med masse 22.
Etter å ha antydet urenheter innså han at denne svakere parabolen var en tyngre form for neon. Dette indikerte to atomer av neon med forskjellige masser, bedre kjent som isotoper.
Husk at en isotop er endringen i antall nøytroner i kjernen. Med en isotop forblir elementets identitet den samme, men den har et annet antall nøytroner i kjernen. J. J. Thomson og Aston konkluderte med den høyere massen til en annen neonisotop uten å ha fordelen av å vite eksistensen av nøytroner (oppdaget av James Chadwick i 1932).
J.J. Thomson: Bidrag til vitenskap
I 1906 ble J. J. Thompson mottok Nobel pris i fysikk “i erkjennelse av de store fordelene ved denne teoretiske og eksperimentelle undersøkelsen om ledning av elektrisitet med gasser. ” Thomson er kreditert med å identifisere elektroner som partikler av en atom.
Selv om mange andre forskere gjorde observasjoner av atompartikler i løpet av Thomsons eksperimenter, førte hans oppdagelser til en ny forståelse av elektrisitet og atompartikler.
Thomson er med rette kreditert for oppdagelsen av isotopen, og hans eksperimenter med positivt ladede partikler førte til utviklingen av massespektrometeret. Disse prestasjonene bidro til utviklingen av kunnskap og oppdagelse i fysikk og kjemi som har fortsatt til i dag.
J. J. Thomson døde i august 1940 i Cambridge og er gravlagt i Westminster Abbey nær Isaac Newton og Charles Darwin.