Príspevky Josepha Johna Thomsona k vede pomohli urobiť revolúciu v chápaní atómovej štruktúry. Aj keď vyštudovaný matematik a experimentálny fyzik, J. J. Thomson vo veľkej miere prispel do oblasti chémie objavením existencie elektrónov, vývojom hmotnostného spektrometra a stanovením prítomnosti izotopov.
Thomsonov prvotný záujem o vedu
J. J. Thomson sa narodil v anglickom Manchestri v roku 1856. Jeho otec očakával, že bude inžinier. Keď sa strojárske učilište nezrealizovalo, bol poslaný vo veku 14 rokov na Owen College. Po smrti J. Otcovi J., náklady na učňovskú prípravu boli nezvládnuteľné. Namiesto toho v roku 1876 získal štipendium na Trinity College v Cambridge študovať matematiku.
Po štúdiu na Trinity College sa Thomson v roku 1880 stal členom Trinity College. Ako profesor na Trinity zostal celú svoju kariéru. Vo veku 28 rokov nastúpil po Lordovi Rayleighovi (objaviteľ argónu a vyšetrovateľ hustoty plynov) ako Cavendishov profesor experimentálnej fyziky v Cambridge v roku 1884.
J J. Thomson: Začiatky experimentu
Thomson, ako profesor experimentálnej fyziky, sa pokúsil vytvoriť matematické modely na vysvetlenie podstaty atómy a elektromagnetizmus.
V roku 1894 začal študovať katódové lúče. V tom čase sa toho o katódových lúčoch chápalo len veľmi málo a nebol to žiariaci lúč svetla vo vysoko vákuovej sklenenej trubici. Katódová trubica je dutá sklenená podlhovastá nádoba, z ktorej je odstránený vzduch, aby sa vytvoril vákuum. Na katódu sa privádza vysoké napätie, čo spôsobí zelenú žiaru na opačnom konci sklenenej trubice.
Myšlienka, že malé častice prenášajú elektrinu, bola navrhnutá v 30. rokoch 20. storočia. Keď Thomson dovolil katódovým lúčom cestovať vzduchom proti vákuu, zistil, že predtým, ako boli zastavené, cestovali ďaleko. cestovali ešte ďalej vo vákuu. Myslel si, že častice musia byť menšie ako odhadovaná veľkosť atómov.
J J. Thomson: Experimenty s vychýlením katódových lúčov
Thomson, aby otestoval svoju hypotézu, že častice katódového lúča boli menšie ako veľkosť atómov vylepšil svoj experimentálny prístroj a začal odrážať katódové lúče elektrickými a magnetickými polia. Jeho cieľom bolo zistiť, či majú tieto častice kladný alebo záporný náboj. Uhol vychýlenia by mu tiež umožnil odhadnúť hmotnosť.
Po zmeraní uhla, pod ktorým boli tieto lúče vychýlené, vypočítal pomer elektrického náboja k hmotnosti častíc. Thomson zistil, že pomer zostáva rovnaký bez ohľadu na to, aký plyn bol v experimente použitý. Predpokladal, že častice obsiahnuté v plynoch boli univerzálny a nezávisí to od zloženia použitého plynu.
J J. Thomson: Model Atómu
Až do J. J. Podľa Thomsonových experimentov s katódovými časticami sa vedecký svet domnieval, že atómy sú najmenšími časticami vo vesmíre. Po viac ako 2 000 rokov sa atóm považoval za najmenšiu možnú časticu a grécky filozof Demokritída túto najmenšiu časticu pomenoval. atomos pre nestrihateľný.
Svet mal teraz prvý pohľad na subatomárnu časticu. Veda by sa navždy zmenila. Každý nový model atómu musí obsahovať subatomárne častice.
Thomson nazval tieto častice telieskami. A aj keď mal pravdu o existencii častíc, názov, ktorý im dal, sa zmenil: Tieto negatívne nabité častice sú dnes známe ako elektróny.
J J. Thomson: Atómová teória
S touto novou subatomárnou časticou J. J. Thomson vytvoril nový atómový model alebo atómovú teóriu týkajúce sa štruktúry atómu.
Thomsonova teória je dnes známa ako atómový model slivkového pudingu alebo Thomsonov atómový model. Atóm bol vizuálne považovaný za rovnomerne kladne nabitú hmotu („puding“ alebo „cesto“) s elektrónmi rozptýlenými v celom objeme (napríklad „slivky“) na vyváženie nábojov.
Ukázalo sa, že model slivkového pudingu je nesprávny, ale ponúkol prvý pokus o začlenenie subatómovej častice do atómovej teórie. V roku 1911 Ernest Rutherford - bývalý študent J. J. Thomson - experimentom a hypotézou jadra dokázal, že táto teória je nesprávna.
Vynález hmotnostného spektrometra
Hmotnostný spektrometer je podobný katódovej trubici, aj keď je jeho lúč vyrobený skôr z elektród ako anódové lúče alebo kladné náboje. Ako v J. J. Podľa Thomsonových elektrónových experimentov sú pozitívne ióny odrazené od priamej dráhy elektrickým a magnetickým poľom.
Thomson vylepšil známu anódovú trubicu pripojením osciloskopovej clony v detekčnom bode. Obrazovka bola potiahnutá materiálom, ktorý pri dopade lúčov fluoreskoval.
Len čo nabitá častica prejde magnetickým poľom, je vychýlená. Táto výchylka je úmerná pomeru hmotnosti k náboju (m / e). Odchýlky, ktoré sú časťami paraboly, je možné na obrazovke zaznamenať presne. Každý druh vysielaný cez anódovú trubicu má samostatnú parabolu.
Keď ľahké druhy prenikli na obrazovku príliš hlboko, J. J. Thomson skonštruoval štrbinu v trubici, kde by mohla sedieť obrazovka. To mu umožnilo vykresliť intenzitu proti relatívnej hmotnosti a vytvoril prvý hmotnostný spektrometer.
Thomson vyvinul hmotnostný spektrometer spolu so svojím študentským výskumníkom Francis William Aston. Aston pokračoval v tomto výskume a za svoju prácu získal v roku 1922 Nobelovu cenu.
Objav izotopov
J. J. Thomson a Aston pomocou hmotnostného spektrometra identifikovali pozitívne ióny vodíka a hélia. V roku 1912 vystrelili ionizovaný neón do elektrického a magnetického poľa. Pre lúč sa objavili dva samostatné vzory: jeden s atómovou hmotnosťou 20 a slabšou parabolou s hmotnosťou 22.
Po naznačení nečistôt si uvedomil, že táto slabšia parabola je ťažšou formou neónu. To naznačovalo dva atómy neónu s rôznou hmotnosťou, známejšie ako izotopy.
Pripomeňme, že izotop je zmena v počte neutrónov v jadre. S izotopom zostáva identita prvku rovnaká, ale v jadre má odlišný počet neutrónov. J. J. Thomson a Aston uzavreli vyššiu hmotnosť iného neónového izotopu bez toho, aby mali výhodu poznania existencie neutrónov (objavil ich James Chadwick v roku 1932).
J J. Thomson: Príspevok k vede
V roku 1906 J. J. Thompson dostal nobelová cena vo fyzike „ako uznanie veľkých výhod tohto teoretického a experimentálneho výskumu na internete vedenie elektriny plynmi. “ Thomsonovi sa pripisuje identifikácia elektrónov ako častíc z atóm.
Aj keď v čase Thomsonových experimentov robilo pozorovanie atómových častíc mnoho ďalších vedcov, jeho objavy viedli k novému pochopeniu elektriny a atómových častíc.
Thomson má oprávnenú zásluhu na objave izotopu a jeho experimenty s časticami s kladným nábojom viedli k vývoju hmotnostného spektrometra. Tieto úspechy prispeli k rozvoju poznatkov a objavov vo fyzike a chémii, ktoré pokračujú až do súčasnosti.
J. J. Thomson zomrel v auguste 1940 v Cambridgei a je pochovaný v Westminsterskom opátstve neďaleko Isaaca Newtona a Charlesa Darwina.