Prispevki Josepha Johna Thomsona k znanosti so privedli do revolucije v razumevanju atomske strukture. Čeprav je bil po izobrazbi matematik in eksperimentalni fizik, je J. J. Thomson je veliko prispeval na področju kemije, tako da je odkril obstoj elektronov, razvil masni spektrometer in določil prisotnost izotopov.
Thomsonovo zgodnje zanimanje za znanost
J. J. Thomson se je rodil v Manchestru v Angliji leta 1856. Oče je pričakoval, da bo inženir. Ko se inženirsko vajeništvo ni uresničilo, so ga pri 14 letih poslali na Owen College. Po smrti J. J.-jevega očeta so bili stroški inženirskega vajeništva neobvladljivi. Namesto tega je leta 1876 prejel štipendijo za Trinity College v Cambridgeu študij matematike.
Po obisku Trinity Collegea je Thomson leta 1880 postal štipendist Trinity College. Vso svojo kariero je ostal kot profesor na Trinity. V starosti 28 let je leta 1884 nasledil lorda Rayleigha (odkritelja argona in raziskovalca gostot plinov) kot profesor eksperimentalne fizike iz Cavendisha v Cambridgeu.
J.J. Thomson: Začetki eksperimenta
Thomson je kot profesor eksperimentalne fizike poskušal zgraditi matematične modele za razlago narave atomi in elektromagnetizem.
Leta 1894 je začel proučevati katodne žarke. Takrat se je malo razumelo o katodnih žarkih, ki niso žareč žarek svetlobe v visokovakuumski stekleni cevi. Katodna cev je votla steklena podolgovata posoda, kjer se zrak odstrani, da se ustvari vakuum. Na katodi deluje visoka napetost, kar povzroči zeleni sij na nasprotnem koncu steklene cevi.
Ideja, da drobni delci prenašajo električno energijo, je bila predlagana v tridesetih letih 20. stoletja. Ko je Thomson dopustil, da katodni žarki potujejo po zraku v primerjavi z vakuumom, je ugotovil, da so potovali daleč, preden so jih ustavili; v vakuumu so potovali še dlje. Menil je, da morajo biti delci manjši od ocenjene velikosti atomov.
J.J. Thomson: Poskusi z odklonom katodnih žarkov
Da bi preizkusil svojo hipotezo, da so bili delci katodnih žarkov manjši od velikosti atomov, Thomson je izboljšal svoj eksperimentalni aparat in začel odbijati katodne žarke z električnimi in magnetnimi polja. Njegov cilj je bil ugotoviti, ali imajo ti delci pozitiven ali negativen naboj. Tudi kot odklona bi mu omogočil oceno mase.
Po merjenju kota, pod katerim so bili ti žarki odklonjeni, je izračunal razmerje električnega naboja do mase delcev. Thomson je ugotovil, da razmerje ostaja enako, ne glede na to, kateri plin je bil uporabljen v poskusu. Predvideval je, da so delci v plinih univerzalni in ni odvisna od sestave uporabljenega plina.
J.J. Thomson: Model atoma
Do J. J. Thomsonovi poskusi z katodnimi delci so v znanstvenem svetu verjeli, da so atomi najmanjši delci v vesolju. Več kot 2000 let je atom veljal za najmanjši možni delček in grški filozof Demokritis je ta najmanjši delček poimenoval atomos za nerazrešiv.
Svet je zdaj prvič pogledal na subatomski delček. Znanost bi bila za vedno spremenjena. Vsak nov model atoma mora vsebovati subatomskih delcev.
Thomson je te delce imenoval korpuskule. In medtem ko je bil glede obstoja delcev pravilen, se je njegovo ime spremenilo: ti negativno nabiti delci so danes znani kot elektroni.
J.J. Thomson: Atomska teorija
S tem novim subatomskim delcem je J. J. Thomson je ustvaril nov atomski model ali atomsko teorijo o strukturi atoma.
Thomsonova teorija je zdaj znana kot atomski model slivovega pudinga ali Thomsonov atomski model. Atom je bil vizualno mišljen kot enakomerno pozitivno naelektrena masa ("puding" ali "testo") z razpršenimi elektroni (kot "slive") za uravnoteženje nabojev.
Model slivovega pudinga se je izkazal za napačnega, vendar je ponudil prvi poskus vključitve subatomskega delca v atomsko teorijo. Leta 1911 je Ernest Rutherford - nekdanji študent J. J. Thomson - je s teorijo in hipotezo jedra dokazal, da je ta teorija napačna.
Izum masnega spektrometra
Masni spektrometer je podoben katodni cevi, čeprav je njegov žarek izdelan iz anodnih žarkov ali pozitivnih nabojev in ne iz elektronov. Kot pri J. J. Thomsonovi poskusi z elektroni pozitivne ione odklonijo od ravne poti z električnimi in magnetnimi polji.
Thomson je izboljšal znano anodno cev, tako da je na detekcijsko točko pritrdil zaslon, podoben osciloskopu. Zaslon je bil prevlečen z materialom, ki je ob udarcu žarkov fluoresciral.
Ko napolnjeni delci preidejo magnetno polje, se odklonijo. Ta deformacija je sorazmerna razmerju med maso in nabojem (m / e). Odklone, ki so del parabole, je mogoče natančno zabeležiti na zaslonu. Vsaka vrsta, poslana skozi anodno cev, ima ločeno parabolo.
Ko so lahke vrste pregloboko prodrle na zaslon, je J. J. Thomson je v cevi zgradil režo, kjer bi sedel zaslon. To mu je omogočilo načrtovanje intenzivnosti glede na relativno maso in ustvaril prvi masni spektrometer.
Thomson je razvil masni spektrometer skupaj s študentskim raziskovalcem Francis William Aston. Aston je nadaljeval s tem raziskovanjem in leta 1922 za svoje delo prejel Nobelovo nagrado.
Odkritje izotopov
J. J. Thomson in Aston sta z masnim spektrometrom identificirala pozitivne ione vodika in helija. Leta 1912 so v električno in magnetno polje sprožili ioniziran neon. Nastala sta dva ločena vzorca žarka: eden z atomsko maso 20 in šibkejšo parabolo mase 22.
Ko je predlagal nečistoče, je spoznal, da je ta šibkejša parabola težja oblika neona. To je nakazovalo dva atoma neona z različnimi masami, bolj znana kot izotopi.
Spomnimo se, da je izotop sprememba števila nevtronov v jedru. Z izotopom identiteta elementa ostaja enaka, vendar ima v jedru različno število nevtronov. J. J. Thomson in Aston sta sklenila večjo maso drugega neonskega izotopa, ne da bi imela korist, da vesta, da obstajajo nevtroni (odkril James Chadwick leta 1932).
J.J. Thomson: Prispevek k znanosti
Leta 1906 je J. J. Thompson je prejel Nobelova nagrada v fiziki "kot priznanje velikim zaslugam teoretičnih in eksperimentalnih raziskav na področju prevodnost električne energije s plini. " Thomson je zaslužen za identifikacijo elektronov kot delcev an atom.
Čeprav so številni drugi znanstveniki opazovali atomske delce v času Thomsonovih poskusov, so njegova odkritja privedla do novega razumevanja elektrike in atomskih delcev.
Thomson je upravičeno zaslužen za odkritje izotopa in njegovi poskusi s pozitivno nabitimi delci so privedli do razvoja masnega spektrometra. Ti dosežki so prispevali k razvoju znanja in odkritij v fiziki in kemiji, ki so se nadaljevala do danes.
J. J. Thomson je umrl avgusta 1940 v Cambridgeu in je pokopan v Westminsterski opatiji blizu Isaaca Newtona in Charlesa Darwina.