Внесок Джозефа Джона Томсона в науку допоміг змінити розуміння атомної будови. Хоча за освітою математик і фізик-експериментатор, Дж. Дж. Томсон зробив великий внесок у область хімії, відкривши існування електронів, розробивши мас-спектрометр і визначивши наявність ізотопів.
Ранній інтерес Томсона до науки
Дж. Дж. Томсон народився в Манчестері, Англія, в 1856 році. Батько очікував, що він стане інженером. Коли інженерне навчання не здійснилося, його в 14 років відправили до коледжу Оуена. Після смерті Дж. Батька Дж., Вартість інженерного навчання була некерованою. Натомість у 1876 році він отримав стипендію в Трініті-коледжі в Кембриджі вивчати математику.
Після відвідування Трініті-коледжу Томсон в 1880 році став членом Трініті-коледжу. Він залишався професором Трійці протягом усієї своєї кар'єри. У віці 28 років він став наступником лорда Релея (відкривача аргону і дослідника щільності газів) на посаді професора Кавендіша з експериментальної фізики в Кембриджі в 1884 році.
Дж. Дж. Томсон: Початок експерименту
Томсон, як професор експериментальної фізики, намагався побудувати математичні моделі для пояснення природи атоми та електромагнетизм.
Він почав вивчати катодні промені в 1894 році. У той час мало що розуміли про катодні промені, які не є світяться променем світла у скляній трубці з високим вакуумом. Катодно-променева трубка - це порожнистий скляний довгастий контейнер, куди повітря видаляється для створення вакууму. На катоді подається висока напруга, і це викликає зелене світіння на протилежному кінці скляної трубки.
Ідея про те, що крихітні частинки передають електрику, була запропонована в 1830-х роках. Коли Томсон дозволив катодним променям рухатися по повітрю проти вакууму, він виявив, що вони проїхали далеку відстань, перш ніж їх зупинили; вони подорожували ще далі у вакуумі. Він вважав, що частинки повинні бути меншими за передбачуваний розмір атомів.
Дж. Дж. Томсон: Експерименти з катодно-променевим відхиленням
Щоб перевірити свою гіпотезу про те, що частинки катодного променя були меншими за розміри атомів, Томсон вдосконалив свій експериментальний апарат і почав відхиляти катодні промені електричним і магнітним поля. Його метою було з'ясувати, чи містять ці частинки позитивний чи негативний заряд. Крім того, кут відхилення дозволив би йому оцінити масу.
Вимірявши кут, на який ці промені були відхилені, він розрахував відношення електричного заряду до маси частинок. Томсон виявив, що співвідношення залишається незмінним, незалежно від того, який газ був використаний в експерименті. Він постулював, що частинки, що містяться в газах, були універсальний і не залежить від складу використовуваного газу.
Дж. Дж. Томсон: модель атома
Аж до Дж. Дж. У експериментах Томсона з катодними частинками науковий світ вважав, що атоми - це найдрібніші частинки у Всесвіті. Більше 2000 років атом вважався найменшою з можливих частинок, і грецький філософ Демокрит назвав цю найменшу частинку атомос для невирізаний.
Зараз світ вперше побачив субатомну частинку. Наука буде назавжди змінена. Будь-яка нова модель атома повинна містити субатомні частинки.
Томсон називав ці частинки корпускулами. І хоча він був прав щодо існування частинок, назва, яку він їм дав, змінилася: ці негативно заряджені частинки тепер відомі як електрони.
Дж. Дж. Томсон: Атомна теорія
З цією новою субатомною частинкою Дж. Дж. Томсон створив нову атомну модель, або атомну теорію, стосовно структури атома.
Теорія Томсона тепер відома як атомна модель сливового пудингу або Атомна модель Томсона. Візуально атом розглядався як рівномірно позитивно заряджена маса ("пудинг" або "тісто") з електронами, розкиданими по всьому (як "сливи"), щоб збалансувати заряди.
Модель сливового пудингу виявилася неправильною, але вона запропонувала першу спробу включити субатомну частинку в атомну теорію. У 1911 році Ернест Резерфорд - колишній студент Дж. Дж. Томсон - довів цю теорію неправильно, експериментуючи та висуваючи гіпотези про ядро.
Винахід мас-спектрометра
Мас-спектрометр схожий на електронно-променеву трубку, хоча його пучок складається з анодних променів або позитивних зарядів, а не з електронів. Як і у Дж. Дж. Експерименти Томсона з електронами, позитивні іони відхиляються від прямолінійного шляху електричним та магнітним полями.
Томсон вдосконалив відому анодну трубку, прикріпивши до точки виявлення екран, схожий на осцилограф. Екран був покритий матеріалом, який флуоресцирував при попаданні променів.
Як тільки заряджена частинка проходить повз магнітне поле, вона відхиляється. Це відхилення пропорційне відношенню маси до заряду (м / е). Прогини, які є частинами параболи, можна точно реєструвати на екрані. Кожен вид, що надходить через анодну трубку, має окрему параболу.
Коли легкі види проникли на екран занадто глибоко, Дж. Дж. Томсон сконструював щілину в трубці, де сидів екран. Це дозволило йому побудувати графік інтенсивності щодо відносної маси і створив перший мас-спектрометр.
Томсон розробив мас-спектрометр разом зі своїм студентом-дослідником Френсіс Вільям Астон. Астон продовжив це дослідження і отримав Нобелівську премію в 1922 році за свою роботу.
Відкриття ізотопів
Дж. Дж. Томсон та Астон використовували мас-спектрометр для ідентифікації позитивних іонів водню та гелію. У 1912 році вони випустили іонізований неон в електричне та магнітне поля. Виникло дві окремі схеми для пучка: одна з атомною масою 20 і слабшою параболою маси 22.
Підказавши домішки, він зрозумів, що ця слабша парабола є важчою формою неону. Це вказувало на два атоми неону з різною масою, більш відомі як ізотопи.
Нагадаємо, що ізотоп - це зміна числа нейтронів у ядрі. З ізотопом ідентичність елемента залишається незмінною, але він має різну кількість нейтронів в ядрі. Дж. Дж. Томсон і Астон дійшли висновку про вищу масу іншого неонового ізотопу, не маючи переваги знання про існування нейтронів (відкритий Джеймсом Чадвіком у 1932 р.).
Дж. Дж. Томсон: внесок у науку
У 1906 р. Дж. Дж. Томпсон отримав Нобелівська премія в галузі фізики "на знак визнання великих достоїнств цих теоретичних та експериментальних досліджень на тему" провідність електрики газами ». Томсону приписують ідентифікацію електронів як частинок атом.
Хоча багато інших вчених проводили спостереження за атомними частинками під час експериментів Томсона, його відкриття призвели до нового розуміння електрики та атомних частинок.
Томсону по праву приписують відкриття ізотопу, а його експерименти з позитивно зарядженими частинками призвели до розвитку мас-спектрометра. Ці досягнення сприяли еволюції знань та відкриттів у фізиці та хімії, які продовжувались і донині.
Дж. Дж. Томсон помер у серпні 1940 року в Кембриджі і похований у Вестмінстерському абатстві поблизу Ісаака Ньютона та Чарльза Дарвіна.