As contribuições de Joseph John Thomson para a ciência ajudaram a revolucionar a compreensão da estrutura atômica. Embora um matemático e um físico experimental por formação, J. J. Thomson contribuiu extensivamente para o campo da química ao descobrir a existência de elétrons, desenvolver o espectrômetro de massa e determinar a presença de isótopos.
O interesse inicial de Thomson pela ciência
J. J. Thomson nasceu em Manchester, Inglaterra, em 1856. Seu pai esperava que ele fosse engenheiro. Quando um estágio de engenharia não se concretizou, ele foi enviado, aos 14 anos, para o Owen College. Após a morte de J. Pai de J., o custo de um aprendizado de engenharia era incontrolável. Em vez disso, em 1876, ele recebeu uma bolsa de estudos no Trinity College em Cambridge para estudar matematica.
Depois de frequentar o Trinity College, Thomson tornou-se Fellow do Trinity College em 1880. Ele permaneceu como professor da Trinity por toda a sua carreira. Na idade de 28, ele sucedeu Lord Rayleigh (descobridor do argônio e investigador da densidade dos gases) como o Cavendish Professor of Experimental Physics em Cambridge em 1884.
J.J. Thomson: início da experiência
Thomson, como professor de física experimental, tentou construir modelos matemáticos para explicar a natureza da átomos e eletromagnetismo.
Ele começou a estudar os raios catódicos em 1894. Na época, pouco se sabia sobre os raios catódicos além de serem um feixe de luz brilhante em um tubo de vidro de alto vácuo. Um tubo de raios catódicos é um recipiente oblongo de vidro oco onde o ar é removido para criar um vácuo. No cátodo, uma alta voltagem é aplicada, e isso causa um brilho verde na extremidade oposta do tubo de vidro.
A ideia de que partículas minúsculas transmitem eletricidade foi proposta na década de 1830. Quando Thomson permitiu que os raios catódicos viajassem através do ar em vez do vácuo, ele descobriu que eles viajaram uma longa distância antes de serem interrompidos; eles viajaram ainda mais longe no vácuo. Ele achava que as partículas deviam ser menores do que o tamanho estimado dos átomos.
J.J. Thomson: experimentos com deflexão de raio catódico
Para testar sua hipótese de que as partículas de raios catódicos eram menores do que o tamanho dos átomos, Thomson melhorou seu aparato experimental e passou a desviar os raios catódicos com aparelhos elétricos e magnéticos Campos. Seu objetivo era descobrir se essas partículas tinham carga positiva ou negativa. Além disso, o ângulo de deflexão lhe permitiria estimar a massa.
Depois de medir o ângulo em que esses raios foram desviados, ele calculou a razão entre a carga elétrica e a massa das partículas. Thomson descobriu que a proporção permaneceu a mesma, independentemente de qual gás foi usado no experimento. Ele postulou que as partículas contidas nos gases eram universal e não dependente da composição do gás utilizado.
J.J. Thomson: Modelo de Atom
Até J. J. Nos experimentos de Thomson com partículas de raios catódicos, o mundo científico acreditava que os átomos eram as menores partículas do universo. Por mais de 2.000 anos, o átomo foi considerado a menor partícula possível, e o filósofo grego Democrite nomeou esta menor partícula atomos para indelével.
O mundo agora teve seu primeiro vislumbre de uma partícula subatômica. A ciência mudaria para sempre. Qualquer novo modelo do átomo deve conter partículas subatômicas.
Thomson chamou essas partículas de corpúsculos. E embora ele estivesse correto sobre a existência das partículas, o nome que deu a elas mudou: Essas partículas carregadas negativamente são agora conhecidas como elétrons.
J.J. Thomson: Teoria Atômica
Com esta nova partícula subatômica, J. J. Thomson produziu um novo modelo atômico, ou teoria atômica, relativo à estrutura do átomo.
A teoria de Thomson é agora conhecida como a modelo atômico de pudim de ameixa ou Modelo atômico Thomson. O átomo foi visualmente pensado como uma massa uniformemente carregada positivamente (o “pudim” ou “massa”) com os elétrons espalhados (como “ameixas”) para equilibrar as cargas.
O modelo do pudim de ameixa se mostrou incorreto, mas ofereceu a primeira tentativa de incorporar uma partícula subatômica a uma teoria atômica. Em 1911, Ernest Rutherford - um ex-aluno de J. J. Thomson - provou esta teoria incorreta experimentando e hipotetizando o núcleo.
Invenção do espectrômetro de massa
Um espectrômetro de massa é semelhante a um tubo de raios catódicos, embora seu feixe seja feito de raios anódicos, ou cargas positivas, em vez de elétrons. Como em J. J. Experimentos de elétrons de Thomson, os íons positivos são desviados de um caminho reto por campos elétricos e magnéticos.
Thomson melhorou o tubo de raios anódicos conhecido ao anexar uma tela semelhante a um osciloscópio no ponto de detecção. A tela era revestida com um material que ficava fluorescente quando atingido pelos raios.
Assim que uma partícula carregada passa por um campo magnético, ela é desviada. Esta deflexão é proporcional à relação massa / carga (m / e). As deflexões, que são partes de uma parábola, podem ser registradas com precisão na tela. Cada espécie enviada através do tubo de raios anódicos tem uma parábola separada.
Quando espécies leves penetraram na tela muito profundamente, J. J. Thomson construiu uma fenda no tubo onde a tela ficaria. Isso permitiu que ele traçasse a intensidade em relação à massa relativa e criou o primeiro espectrômetro de massa.
Thomson desenvolveu o espectrômetro de massa junto com seu estudante pesquisador Francis William Aston. Aston continuou sua pesquisa e ganhou o Prêmio Nobel em 1922 por seu trabalho.
Descoberta de isótopos
J. J. Thomson e Aston usaram o espectrômetro de massa para identificar íons positivos de hidrogênio e hélio. Em 1912, eles dispararam neon ionizado nos campos elétrico e magnético. Dois padrões separados para o feixe emergiram: um com massa atômica de 20 e uma parábola mais fraca de massa 22.
Depois de sugerir impurezas, ele percebeu que essa parábola mais fraca era uma forma mais pesada de néon. Isso indicou dois átomos de neon com massas diferentes, mais conhecidos como isótopos.
Lembre-se de que um isótopo é a mudança no número de nêutrons dentro do núcleo. Com um isótopo, a identidade do elemento permanece a mesma, mas tem um número diferente de nêutrons no núcleo. J. J. Thomson e Aston concluíram a maior massa de outro isótopo de néon sem ter o benefício de saber a existência de nêutrons (descoberto por James Chadwick em 1932).
J.J. Thomson: Contribuição para a Ciência
Em 1906, J. J. Thompson recebeu o premio Nobel em Física “em reconhecimento aos grandes méritos destas investigações teóricas e experimentais sobre o condução de eletricidade por gases. ” Thomson é creditado por identificar elétrons como partículas de um átomo.
Embora muitos outros cientistas tenham feito observações de partículas atômicas durante os experimentos de Thomson, suas descobertas levaram a uma nova compreensão da eletricidade e das partículas atômicas.
Thomson tem o crédito da descoberta do isótopo e seus experimentos com partículas de carga positiva levaram ao desenvolvimento do espectrômetro de massa. Essas realizações contribuíram para a evolução do conhecimento e das descobertas na física e na química que continuaram até o presente.
J. J. Thomson morreu em agosto de 1940 em Cambridge e está enterrado na Abadia de Westminster perto de Isaac Newton e Charles Darwin.