ผลงานอะไร ทอมสันทำให้อะตอม?

การมีส่วนร่วมของโจเซฟ จอห์น ทอมสันในด้านวิทยาศาสตร์ช่วยปฏิวัติการทำความเข้าใจโครงสร้างอะตอม แม้ว่านักคณิตศาสตร์และนักฟิสิกส์ทดลองโดยการฝึกอบรม J. เจ ทอมสันมีส่วนอย่างมากในด้านเคมีโดยการค้นพบการมีอยู่ของอิเล็กตรอน การพัฒนาแมสสเปกโตรมิเตอร์ และการพิจารณาการมีอยู่ของไอโซโทป

เจ เจ ทอมสันเกิดที่เมืองแมนเชสเตอร์ ประเทศอังกฤษ ในปี พ.ศ. 2399 พ่อของเขาคาดหวังให้เขาเป็นวิศวกร เมื่อการฝึกงานด้านวิศวกรรมไม่เกิดขึ้นจริง เขาถูกส่งไปเรียนที่วิทยาลัยโอเว่นเมื่ออายุ 14 ปี หลังการเสียชีวิตของเจ. พ่อของเจ ค่าใช้จ่ายในการฝึกงานด้านวิศวกรรมไม่สามารถจัดการได้ แต่ในปี พ.ศ. 2419 เขาได้รับทุนเรียนต่อที่วิทยาลัยทรินิตีที่เคมบริดจ์ถึง เรียนคณิตศาสตร์.

หลังจากเข้าเรียนที่วิทยาลัยทรินิตี ทอมสันได้เข้าเป็นสมาชิกของวิทยาลัยทรินิตีในปี พ.ศ. 2423 เขายังคงเป็นศาสตราจารย์ที่ Trinity ตลอดอาชีพการงานของเขา เมื่ออายุ 28 ปี เขาได้สืบทอดตำแหน่งต่อจากลอร์ด เรย์ลีห์ (ผู้ค้นพบอาร์กอนและผู้ตรวจสอบความหนาแน่นของก๊าซ) ในตำแหน่งศาสตราจารย์คาเวนดิชแห่งฟิสิกส์ทดลองที่เคมบริดจ์ในปี 2427

ทอมสันในฐานะศาสตราจารย์วิชาฟิสิกส์ทดลอง พยายามสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เพื่ออธิบายธรรมชาติของ อะตอมและแม่เหล็กไฟฟ้า

เขาเริ่มศึกษารังสีแคโทดในปี พ.ศ. 2437 ในช่วงเวลานั้นไม่ค่อยมีใครเข้าใจเกี่ยวกับรังสีแคโทดเกินกว่าจะเป็นลำแสงเรืองแสงในหลอดแก้วสูญญากาศสูง หลอดรังสีแคโทดเป็นภาชนะแก้วรูปสี่เหลี่ยมผืนผ้ากลวงที่อากาศถูกกำจัดออกไปเพื่อสร้างสุญญากาศ ที่แคโทด จะใช้ไฟฟ้าแรงสูง และทำให้เกิดแสงสีเขียวที่ปลายอีกด้านของหลอดแก้ว

แนวคิดที่ว่าอนุภาคขนาดเล็กที่ส่งกระแสไฟฟ้าได้รับการเสนอในช่วงทศวรรษที่ 1830 เมื่อทอมสันปล่อยให้รังสีแคโทดเดินทางผ่านอากาศกับสุญญากาศ เขาพบว่าพวกมันเดินทางไกลก่อนที่จะหยุดนิ่ง พวกเขาเดินทางไกลยิ่งขึ้นในสุญญากาศ เขาคิดว่าอนุภาคต้องเล็กกว่าขนาดอะตอมโดยประมาณ

เพื่อทดสอบสมมติฐานของเขาว่าอนุภาครังสีแคโทดมีขนาดเล็กกว่าขนาดของอะตอม Thomson ปรับปรุงเครื่องมือทดลองของเขาและเริ่มเบี่ยงเบนรังสีแคโทดด้วยไฟฟ้าและแม่เหล็ก ฟิลด์ เป้าหมายของเขาคือการค้นหาว่าอนุภาคเหล่านี้มีประจุบวกหรือลบหรือไม่ นอกจากนี้ มุมโก่งตัวจะช่วยให้เขาประเมินมวลได้

หลังจากวัดมุมที่รังสีเหล่านี้เบี่ยงเบนแล้ว เขาคำนวณอัตราส่วนของประจุไฟฟ้าต่อมวลของอนุภาค ทอมสันพบว่าอัตราส่วนยังคงเท่าเดิมไม่ว่าจะใช้ก๊าซชนิดใดในการทดลอง เขาตั้งสมมติฐานว่าอนุภาคที่มีอยู่ในก๊าซคือ gas สากล และไม่ขึ้นกับองค์ประกอบของก๊าซที่ใช้

จนถึงเจ เจ การทดลองของทอมสันกับอนุภาครังสีแคโทด โลกวิทยาศาสตร์เชื่อว่าอะตอมเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดในจักรวาล เป็นเวลากว่า 2,000 ปีที่อะตอมถูกมองว่าเป็นอนุภาคที่เล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ และนักปรัชญาชาวกรีกชื่อ Democritis ได้ตั้งชื่ออนุภาคที่เล็กที่สุดนี้ อะตอม สำหรับ ตัดไม่ได้.

โลกได้เห็นแวบแรกที่เห็นอนุภาคย่อยของอะตอม วิทยาศาสตร์จะเปลี่ยนไปตลอดกาล อะตอมรูปแบบใหม่ใด ๆ ต้องมี อนุภาค.

ทอมสันเรียกอนุภาคเหล่านี้ว่า corpuscles และในขณะที่เขาถูกต้องเกี่ยวกับการมีอยู่ของอนุภาค ชื่อที่เขาตั้งให้กับพวกมันก็เปลี่ยนไป: อนุภาคที่มีประจุลบเหล่านี้รู้จักกันในชื่ออิเล็กตรอน

ด้วยอนุภาคย่อยของอะตอมใหม่นี้ เจ. เจ ทอมสันได้สร้างแบบจำลองอะตอมใหม่ หรือทฤษฎีอะตอม เกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม

ทฤษฎีของทอมสันเป็นที่รู้จักกันในชื่อ แบบจำลองอะตอมพุดดิ้งพลัม หรือ แบบจำลองอะตอมของทอมสัน. อะตอมถูกมองว่าเป็นมวลที่มีประจุบวกสม่ำเสมอ ("พุดดิ้ง" หรือ "แป้ง") โดยมีอิเล็กตรอนกระจัดกระจายไปทั่ว (เช่น "ลูกพลัม") เพื่อให้สมดุลของประจุ

แบบจำลองพุดดิ้งพลัมพิสูจน์แล้วว่าไม่ถูกต้อง แต่ได้เสนอความพยายามครั้งแรกในการรวมอนุภาคย่อยในทฤษฎีอะตอม ในปี 1911 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด อดีตนักศึกษาของเจ. เจ ทอมสัน — พิสูจน์ทฤษฎีนี้ว่าไม่ถูกต้องโดยการทดลองและตั้งสมมติฐานของนิวเคลียส

แมสสเปกโตรมิเตอร์มีลักษณะคล้ายกับหลอดรังสีแคโทดแม้ว่าลำแสงจะทำจากรังสีแอโนดหรือประจุบวกแทนที่จะเป็นอิเล็กตรอน เช่นเดียวกับในเจ เจ การทดลองอิเล็กตรอนของทอมสัน ไอออนบวกจะเบี่ยงเบนจากเส้นทางตรงด้วยสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก

ทอมสันปรับปรุงหลอดรังสีแอโนดที่รู้จักโดยติดหน้าจอคล้ายออสซิลโลสโคปที่จุดตรวจจับ หน้าจอเคลือบด้วยวัสดุที่เรืองแสงเมื่อโดนรังสี

เมื่ออนุภาคที่มีประจุผ่านสนามแม่เหล็ก อนุภาคนั้นจะเบี่ยงเบนไป การโก่งตัวนี้เป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนมวลต่อการชาร์จ (m/e) การโก่งตัวซึ่งเป็นส่วนของพาราโบลาสามารถบันทึกได้อย่างแม่นยำกับหน้าจอ แต่ละชนิดที่ส่งผ่านหลอดรังสีแอโนดจะมีพาราโบลาแยกจากกัน

เมื่อสายพันธุ์ที่มีน้ำหนักเบาเจาะหน้าจอลึกเกินไป J. เจ ทอมสันสร้างร่องในท่อที่หน้าจอจะนั่ง สิ่งนี้ทำให้เขาสามารถพล็อตความเข้มเทียบกับมวลสัมพัทธ์และสร้างสเปกโตรมิเตอร์แบบแรก

ทอมสันพัฒนาแมสสเปกโตรมิเตอร์ร่วมกับนักวิจัยนักศึกษาของเขา ฟรานซิส วิลเลียม แอสตัน. แอสตันดำเนินการวิจัยต่อไปและได้รับรางวัลโนเบลในปี พ.ศ. 2465 จากผลงานของเขา

เจ เจ ทอมสันและแอสตันใช้แมสสเปกโตรมิเตอร์เพื่อระบุไอออนบวกของไฮโดรเจนและฮีเลียม ในปี 1912 พวกเขายิงนีออนที่แตกตัวเป็นไอออนเข้าไปในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก รูปแบบลำแสงที่แยกจากกันสองรูปแบบปรากฏขึ้น: รูปแบบหนึ่งมีมวลอะตอม 20 และพาราโบลามวล 22 ที่อ่อนกว่า

หลังจากแนะนำสิ่งเจือปน เขาตระหนักว่าพาราโบลาที่อ่อนกว่านี้เป็นรูปแบบนีออนที่หนักกว่า สิ่งนี้บ่งชี้ว่านีออนสองอะตอมมีมวลต่างกัน ซึ่งรู้จักกันดีในชื่อไอโซโทป

จำได้ว่าไอโซโทปคือการเปลี่ยนแปลงจำนวนนิวตรอนภายในนิวเคลียส ด้วยไอโซโทป เอกลักษณ์ของธาตุยังคงเหมือนเดิม แต่มีจำนวนนิวตรอนในนิวเคลียสต่างกัน เจ เจ Thomson และ Aston ได้สรุปมวลที่สูงกว่าของไอโซโทปนีออนอีกตัวหนึ่งโดยที่ไม่รู้ตัวว่ามีนิวตรอนอยู่ (ค้นพบโดย James Chadwick ในปี 1932)

ในปี พ.ศ. 2449 เจ. เจ ทอมป์สันได้รับ รางวัลโนเบล ในสาขาฟิสิกส์ "ในการรับรู้ถึงข้อดีอันยิ่งใหญ่ของการสืบสวนเชิงทฤษฎีและการทดลองเกี่ยวกับ การนำไฟฟ้าด้วยก๊าซ” ทอมสันให้เครดิตกับการระบุอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคของ an อะตอม.

แม้ว่านักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ หลายคนได้ทำการสังเกตการณ์อนุภาคอะตอมระหว่างการทดลองของทอมสัน การค้นพบของเขานำไปสู่ความเข้าใจใหม่เกี่ยวกับไฟฟ้าและอนุภาคอะตอม

ทอมสันได้รับเครดิตอย่างถูกต้องจากการค้นพบไอโซโทปและการทดลองของเขากับอนุภาคที่มีประจุบวกทำให้เกิดการพัฒนาแมสสเปกโตรมิเตอร์ ความสำเร็จเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดวิวัฒนาการของความรู้และการค้นพบทางฟิสิกส์และเคมีที่สืบเนื่องมาจนถึงปัจจุบัน

เจ เจ ทอมสันเสียชีวิตในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2483 ในเมืองเคมบริดจ์และถูกฝังในเวสต์มินสเตอร์แอบบีย์ใกล้ไอแซกนิวตันและชาร์ลส์ดาร์วิน