Thomson, Joseph John

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 8 januari 2022; kontroller kräver 5 redigeringar .
Joseph John Thomson
engelsk  Joseph John Thomson

Födelsedatum 18 december 1856( 1856-12-18 )
Födelseort Cheetham Hill , Storbritannien
Dödsdatum 30 augusti 1940 (83 år)( 1940-08-30 )
En plats för döden Cambridge , Storbritannien
Land
Vetenskaplig sfär fysik
Arbetsplats Cambridge universitetet
Alma mater University of Manchester University of
Cambridge
vetenskaplig rådgivare John William Strett
Studenter Charles Barkla
Charles Wilson
Ernest Rutherford
Francis Aston
Robert Oppenheimer
Owen Richardson
William Bragg
Max Född
Paul Langevin
John Townsend
Van der Pol, Balthazar
Taylor, Jeffrey Ingram
Zeleny, John
Comstock, Daniel Frost
Laby, Thomas Howell
Allen, Herbert Stanley
Känd som Thomsons modell av atomen
Upptäckt av elektronen
Upptäckt av isotoper
Uppfann masspektrometern
Förhållandet mellan en partikels massa och dess laddning
Thomsons problem
Deltastrålar
Epsilonstrålar
Thomson (måttenhet)
Första radiovågledaren
Thomsons spridning
Utmärkelser och priser Kunglig medalj (1894) Nobelpriset i fysik ( 1906 )
Nobelpriset
Autograf
 Mediafiler på Wikimedia Commons

Sir Joseph John Thomson ( eng.  Joseph John Thomson ; 18 december 1856  - 30 augusti 1940 ) - engelsk fysiker , vinnare av Nobelpriset i fysik 1906 med formuleringen "för sin forskning om passage av elektricitet genom gaser."

Hans mest betydande forskning är [1] :

Medlem (1884) och president (1915-1920) i Royal Society of London [2] , utländsk ledamot av Paris Academy of Sciences (1919; korrespondent sedan 1911) [3] , utländsk motsvarande medlem av St. Petersburg Academy of Vetenskaper (1913) och hedersmedlem i Ryska vetenskapsakademin (1925) [4] .

Biografi

Joseph John Thomson föddes den 18 december 1856 på Cheetham Hill nära Manchester till Joseph James Thomson och hans fru, född Emma Swindellt. Hans far var en infödd skotte och drev familjeföretaget att publicera och sälja böcker i Manchester. På uppmaning av sin far gick han i lärling på en ingenjörsfirma, men på grund av svårigheter att hitta arbete skickades han tillfälligt till Owens College , Manchester. Thomson betraktade denna mer eller mindre slumpmässiga uppsättning omständigheter som en vändpunkt i hans liv. Under sin tid vid Owens College var han influerad av fysikern Balfour Stewart , ingenjören Osborne Reynolds och matematikern Thomas Barker [5] .

Hans matematiska och vetenskapliga förmågor uppmärksammades snart, han var involverad av Balfour Stewart i olika fysikaliska studier och publicerade så småningom en kort artikel "Experiment on contact electricity between non-conductors" [6] i Transactions of the Royal Society . Medan han studerade vid Owens College träffade han Arthur Schuster och John Henry Poynting , som han blev en livslång vänskap med.

På Barkers råd övergav han idén om en karriär inom ingenjörsvetenskap och började på Trinity College , Cambridge i oktober 1876 , där han tog sin kandidatexamen 1880 . Efter denna tid spenderades hans liv nästan helt i Cambridge, med undantag för några korta resor till Amerika . Hans matematiska utbildning vid Cambridge var till stor del under ledning av E. J. Root . Thomson kom inte då eller i senare tider under James Clerk Maxwells personliga inflytande .

Efter att ha tagit sin kandidatexamen blev han associerad med Trinity College och började sin forskning inom matematisk och experimentell fysik. Hans tidiga matematiska arbete bestod i utvecklingen av elektromagnetisk teori och tillämpningen av Lagranges dynamiska metoder på problem inom matematik och fysik. Dessa studier, ledda av Lord Rayleigh , sammanfattades därefter i boken "Application of Dynamics to Physics and Chemistry" [7] , men de resultat som erhölls av honom under denna period stod inte emot tidens tand.

Efter Lord Rayleighs pensionering som Cavendish-professor vid Cambridge i slutet av 1884, valdes Thomson att ersätta honom. Trots sin ungdom (Thomson var ungefär 27 år gammal vid den tiden), visade han sig vara en duktig ledare för Cavendish Laboratory . Han var själv en genomsnittlig experimenterare och hade en relativt dålig kunskap om mekaniska processer, men hans enastående förmågor och naturliga uppfinningsrikedom uppvägde inte desto mindre dessa brister.

1890 gifte han sig med Rose Paget , dotter till Sir George Paget . Hans barn genom detta äktenskap var George Paget Thomson (1892–1975), senare professor i fysik och 1937 års Nobelpris i fysik för upptäckten av elektrondiffraktion genom kristaller , och Miss Joan Thomson .

De följande decennierna av arbete som chef för Cavendish Laboratory i Cambridge var de mest produktiva i hans liv. Så det är till denna period som all Thomsons forskning om passage av elektricitet genom gaser, för vilken han tilldelades Nobelpriset i fysik 1906 , tillhör .

Mot slutet av kriget, 1918 , med Dr. G. Montagu Butlers död, blev posten som chef för Trinity College, Cambridge, som hade erbjudits Thomson av Lloyd George , ledig . Samtidigt behöll han Cavendish-professuren till slutet av kriget, då han efterträddes på posten av sin student Rutherford . Han fortsatte ändå att arbeta vid Cavendish Laboratory i flera år till, men ytterligare forskning visade sig vara ojämförlig i betydelse med de förkrigstidens.

Från 1914 till 1916 var Joseph John Thomson ordförande för London Society of Physicists . [åtta]

År 1915 blev han president för Royal Society of London och efterträdde Sir William Crookes , en post han innehade fram till 1920 . Enligt hans samtidas memoarer var han alltid redo för diskussion vid möten i samhället, även om artikeln inte tillhörde området för hans vetenskapliga intressen, vilket uteslöt möjligheten till ytlig hänsyn. Beredskap för dialog och personlig stimulans, tillsammans med auktoritet inom det vetenskapliga området, gjorde honom till en värdefull vetenskapsman och en inspirationskälla för många forskare.

Från 1921 till 1923 var J. J. Thomson president för Physics Institute .

Thomson dog i Cambridge den 30 augusti 1940 vid 83 års ålder. [ett]

Vetenskaplig verksamhet

Undersökning av ledningsförmågan hos gaser

Hans tidiga forskning om utsläpp av elektricitet genom gaser var mycket varierande. Han letade efter en utgångspunkt från vilken han kunde börja en adekvat teoretisk belägg för ett stort urval av experimentella data.

Den största svårigheten med forskning inom detta område var förknippad med närvaron av metallelektroder , och Thomson trodde att om den elektriska urladdningen hade erhållits utan användning av elektroder (och därför utan sidoprocesser som inträffade på kontaktytan av elektroder med gas ), kan ett sådant experiment vara utgångspunkten för att förklara detta fenomen. Detta övervägande låg till grund för studiet av den elektrodlösa urladdningen. Dessa studier gav en viktig experimentell metod, som användes i olika riktningar, framför allt för studier av efterglödning i gaser och olika spektralstudier, men som metod för att studera urladdningsmekanismen visade den sig vara väsentligen värdelös p.g.a. den diskontinuerliga karaktären av den inducerade urladdningen, vilket gör kvantitativa mätningar svåra. Thomson ägnade mycket tid åt att studera elektrolysen av ånga och bestämma den skenbara hastigheten med vilken glöden utbreder sig längs ett långt evakuerat rör. Men även dessa studier uppfyllde förväntningarna. Thomsons mest fruktbara period av forskning om elektrisk urladdning började med upptäckten av röntgenstrålar 1896 .

Genom att experimentera med det upptäckte Thomson snart att gaser som utsätts för röntgenstrålar börjar överföra elektricitet under påverkan av en liten pålagd spänning . Denna typ av ledning skilde sig klart från den som ägde rum under passagen av en gnista , eftersom en gnista alltid kräver en spänning på minst 300 volt under de mest gynnsamma förhållandena, medan ledning under påverkan av röntgenstrålar observeras vid en mycket lägre spänning. Upptäckten av denna typ av ledning gjordes samtidigt i andra laboratorier, men det var i Cavendish Laboratory som dess mekanism nystas upp. Thomson och Rutherford publicerade en viktig artikel [9] där det visades att röntgenstrålningens funktion var att frigöra laddade joner från en gas som rör sig under en pålagd spänning och därmed skapa laddningsbärare. Om strålningen stängdes av skulle dessa joner rekombineras för att bilda neutrala molekyler . Å andra sidan, i närvaro av röntgenstrålar, berodde den passerande strömmen på den applicerade spänningen. Om den var liten, rörde sig jonerna långsamt och övervann motståndet från den omgivande luften, och endast en liten ström flödade , och de flesta joner som bildades släpptes ut genom rekombination. Om den pålagda spänningen var signifikant blev jonernas rörelse så snabb att de inte hann rekombinera innan de nådde elektroderna. I det här fallet var alla joner som bildades under inverkan av strålning involverade i laddningsöverföring och förbrukades inte som ett resultat av rekombination, och den resulterande strömmen nådde sitt maximala värde, och en ytterligare ökning av spänningen under dessa förhållanden kunde inte öka den . Denna maximala ström kallades "mättnadsström" av Thomson och bär fortfarande detta namn. När avståndet mellan elektroderna ökade ökade även mättnadsströmmen. Detta beteende motsvarade inte uppgifterna om den elektriska ledningsförmågan hos metaller eller elektrolytlösningar och utgjorde ett övertygande bevis på riktigheten av tolkningen av detta fenomen.

Kort därefter fann andra medlemmar av laboratoriet, inklusive Rutherford och Zeleny , den absoluta hastigheten för joner i luft under inverkan av en potentialgradient , som, som förväntat, visade sig vara proportionell mot den applicerade spänningen.

Studie av katodstrålar, upptäckt av elektronen

Efter att ha förklarat mekanismen för gasurladdning under röntgenbestrålning, vände sig Thomson till en närmare studie av katodstrålningens natur . Denna fråga sysselsatte honom i många år, och han var alltid benägen till den synpunkten, försvarad av Varley och Crookes , att dessa strålar består av negativt laddade partiklar som emanerar från katoden , i motsats till uppfattningen från de tyska fysikerna Goldstein , Hertz. och Lenard , som ansåg att de är vågor som passerar genom etern. Thomson påverkades främst av det faktum att dessa strålar avböjdes i ett magnetfält i en riktning tvärs deras rörelse. Aldrig innan det ögonblicket hade han tvivlat på att laddade partiklar var molekyler eller atomer . När han kvantifierade den magnetiska avböjningen började han tvivla på om en sådan uppfattning var tillförlitlig, eftersom avböjningen var väsentligt större än denna hypotes förutspådde. Några av ovanstående utredare har letat efter elektrostatisk avböjning av katodstrålar, men har inte funnit det under några lika enkla förhållanden. Thomson var benägen att tro att misslyckandet i dessa experiment berodde på ledningsförmågan hos den kvarvarande gasen, och genom att arbeta under mycket högt vakuum kunde han få en elektrostatisk avböjning. Genom att kombinera data om elektrostatisk och magnetisk avböjning kunde han erhålla hastigheten på partiklarna i strålarna och förhållandet mellan deras laddning och massa. Detta värde visade sig vara annorlunda i värde från det som hittades för väteatomer under elektrolys . Om man antar att laddningen var densamma i båda fallen, följde det av experimentdata att massan av katodstrålepartiklarna var mycket liten jämfört med väteatomens massa. Thomson bekräftade grovt sett detta värde på förhållandet mellan massa och laddning genom kalorimetriska mätningar av energin som bärs av strålarna samtidigt som laddningen som överförs av dem. Vid den tiden var han ännu inte säker på likheten mellan laddningarna av katodpartiklar och väteatomer under elektrolys.

Nästa steg var att bestämma det absoluta värdet av laddningen av joner som erhölls i luft under påverkan av röntgenstrålar. Han gjorde detta med hjälp av C. T. R. Wilsons upptäckt att dessa joner kunde fungera som kondensationscentra för vätskedroppar. Det blev möjligt att bilda ett moln innehållande en känd mängd vattenånga och ett antal droppar lika med antalet joner. Från droppavsättningshastigheten var det möjligt att beräkna dropparnas storlek och deras antal och på så sätt bestämma antalet bildade joner. Genom att känna till deras totala laddning var det möjligt att bestämma laddningen för en jon, som visade sig vara lika med 6,5· 10 −10 Fr. Om man tar värdet på den absoluta vikten av väteatomen från kinetisk teori , visade det sig vara troligt att jonens laddningsvärde var lika med väteatomens laddning vid elektrolys.

Vid det här laget hade inget experiment satts upp där det skulle vara möjligt att samtidigt bestämma både laddningen och massa-till-laddningsförhållandet för en katodstrålepartikel. Thomson såg möjligheten att samtidigt bestämma dessa kvantiteter för partiklar som bär bort en negativ laddning när ultraviolett strålning träffar zink . Han utvecklade en metod för att bestämma massa-till-laddning-förhållandet för dem och laddningen av en partikel genom droppkondensationsmetoden. Syftet med experimentet var att entydigt visa att dessa partiklar har en massa i storleksordningen en tusendels av väte och en laddning lika med väteatomens vid elektrolys. Thomson, i tidiga publikationer, kallade dessa partiklar corpuscles , sedan började han använda ordet " elektron ", som tidigare användes av George Johnston Stoney i ett mycket mindre specifikt fall.

Thomson fortsatte med att i detalj utveckla begreppet elektroner som partiklar som utgör atomen . Från slutsatsen av Barkles experiment om spridning av röntgenstrålar av luft och andra gaser, bestämde han att antalet elektroner i en atom beror på atomvikten. Thomson föreslog en modell av en atom [10] , som består av en positivt laddad sfär där elektroner är i stabil statisk jämvikt med sin ömsesidiga repulsion och attraktion till en positivt laddad sfär, och kunde visa att en sådan modell skulle ha periodisk egenskaper om elektronerna samlades i på varandra följande ringar när deras antal ökar. Thomsons modell gav i huvudsak samma grund för den periodiska lagen som de mer avancerade modellerna baserade på atomkärnan, som härleddes av Bohr från spektraldata. Thomson kom senare på begreppet metallisk ledning i termer av rörelsen av fria elektroner i en metall. [elva]

Studiet av "anodstrålar" och början av masspektrometri

En annan stor period av Thomsons experimentella verksamhet 1906-1914 är förknippad med arbete med fenomenet positivt laddade (anod)strålar. Positivt laddade strålar upptäcktes av Goldstein under urladdningen av rör som hade ett hål i katoden vid lågt tryck. De passerade i det kraftfria utrymmet bakom katoden. V. Win visade att dessa strålar är av korpuskulär natur och bär en positiv laddning. Han fastställde senare att dessa partiklar hade atomära dimensioner.

När Thomson vände sig till detta ämne hade ingen ännu lyckats skilja de olika typerna av atomer som kunde representeras i dessa strålar, och detta var hans stora bedrift. Thomsons metod bestod i att använda både magnetiska och elektrostatiska fält , vilket gav avvikelser längs vinkelräta koordinater . Strålarna fixerades på en fotografisk platta och koordinaterna uppmätta från bilden gav separata magnetiska och elektrostatiska avvikelser.

Thomson fann det viktigt att utföra dessa experiment vid lägsta möjliga gastryck för att undvika den sekundära processen som är förknippad med vinst eller förlust av laddning genom att röra partiklar. När man genomförde ett experiment under dessa förhållanden fann man att bilden som erhölls på en fluorescerande skärm eller fotografisk platta är en serie paraboler med en gemensam vertex vid nollpunkten och axlar parallella med riktningen för den elektrostatiska avböjningen. Var och en av dessa paraboler motsvarade en typ av atom eller atomgrupp med en specifik laddning, och varje punkt på kurvan motsvarade en annan partikelhastighet . Således bevisades närvaron av en stor mängd atomer och atomgrupper i ett urladdningsrör, vars natur kunde bestämmas av värdet på koordinaterna i bilden, med kännedom om värdena för de elektrostatiska och magnetiska fälten. En i grunden ny metod för kemisk analys utvecklades också, och en allmän bekräftelse av de erhållna resultaten gavs med kemiska metoder. Denna metod kallas " masspektrometri ". Det visades till exempel att en kvicksilveratom kan ta en annan laddning, lika i modul från en till sju elektronladdningar. Ett annat mycket viktigt resultat var det faktum att neon i detta experiment visade två olika paraboler, en hänvisade till en atommassa på 20 och den andra till en atommassa på 22. Detta var det första beviset för existensen av stabila icke-radioaktiva isotoper . I dessa experiment fick Thomson hjälp av Dr. F. W. Aston , som vidareutvecklade dessa idéer oberoende och fick Nobelpriset i kemi 1922 för sin forskning inom masspektrometri.

Administrativ och pedagogisk verksamhet

Medan han tjänstgjorde som Cavendish-professor och chef för Cavendish Physical Laboratory i Cambridge , uppnådde Thomson framgång med att skapa en unik experimentskola. Vid denna tidpunkt arbetade upp till 40 forskare samtidigt under hans ledning, inklusive ganska ofta professorer från amerikanska och kontinentala universitet. Som en följd av detta tillsattes ett stort antal professurer i fysik i engelsktalande länder vid olika tidpunkter av hans tidigare studenter.

Detta underlättades avsevärt av det faktum att under Thomsons tid som Cavendish-professor vid University of Cambridge, uppstod ett system som gjorde det möjligt för studenter från andra universitet att få ett Cambridge-diplom genom forskningsarbete under två år. Detta schema utvecklades inte med ett speciellt fokus på vetenskap i allmänhet eller fysik i synnerhet, men det visade sig vara särskilt efterfrågat inom väggarna i Cavendish Laboratory. Thomsons publikationer, och i synnerhet hans "Recent researches in electricity and magnetism" [12] , publicerad 1893 som ett komplement till en avhandling av James Clerk Maxwell , spred hans berömmelse vida, vilket lockade många begåvade vetenskapsmän från koloniala och utländska universitet till Cavendish Laboratory. Bland dem var E. Rutherford från Wellington College , Nya Zeeland , J. S. Townsend från Trinity College , Dublin , J. A. McClellaland från University of Dublin , J. C. McLennan från Toronto , P. Langevin från Paris och flera andra. Dessutom var bland dem C.T.R. Wilson, W.C.D. Wetham (senare Dampier ) och andra som var på prov i Cambridge .

Under första världskriget , från 1914-1918, var Thomson huvudsakligen engagerad i rådgivande och kommissionsarbete i styrelsen för uppfinningar och forskning under Lord Fisher , där han var medlem. Detta arbete och de möjligheter som det gav honom att komma i kontakt med en bredare krets av kollegor än tidigare var mycket intressant för honom.

Han fortsatte arbetet med att attrahera nya forskare som chef för Trinity College , där han arbetade till slutet av sitt liv.

Personliga egenskaper och hobbyer

Under sina studier vid Cambridge deltog han inte i sport, även om han då och senare visade ett starkt intresse för andras prestationer. Som chef för Trinity College var han också intresserad av tävlingsidrott, och ingenting kunde ha varit mer tillfredsställande än att se en bra fotbollsmatch eller se Trinity-roddlaget på floden. Det kunde ses även i mindre lopp. Han gladde sig uppriktigt åt inbjudningar till en informell studentmiddag, och det föreföll honom som om det gav mer glädje än många av de högtidliga tillställningar som han tvingades närvara på grund av sin ställning.

Joseph John Thomson talade inte något främmande språk och vägrade alla försök att tala även på franska, helt och hållet förlitade sig på sin fru som tolk. Även om han kunde läsa franska och tyska flytande, skrev eller talade han aldrig dessa språk. Behärskar esperanto.

Som ordförande i Trinity College-rådet tappade han aldrig coolheten i politiska dispyter, även trots de ibland oförskämda kommentarerna från människor som hade andra åsikter än hans egen. Han ansåg att sådana överträdelser bäst ignorerades och därmed snabbast glömdes bort.

Thomson hade en anmärkningsvärd förmåga till finansiell verksamhet och skötte på ett diskret sätt sina investeringar så framgångsrikt att han kunde samla en anständig förmögenhet, med början med extremt litet kapital. Denna sida av hans arbete är vanligtvis mycket mindre känd, trots att han alltid har visat intresse för principerna för driften av både små företag och stora finansiella system.

Enligt hans samtidas memoarer var han en entusiastisk trädgårdsmästare och visade stort intresse för urvalet av växter och lökar till sin trädgård, även om han inte ansträngde sig särskilt mycket för detta. [ett]

Heder och utmärkelser

Joseph John Thomson var medlem i många vetenskapliga sällskap, inklusive Royal Society of London och Institute of France , samt mottagare av många priser och utmärkelser, bland vilka är följande:

1970 döpte International Astronomical Union en kratermånens bortre sida efter Joseph John Thomson .

Anteckningar

  1. ↑ 1 2 3 Rayleigh. JOSEPH JOHN THOMSON  //  Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. - 1941. - Vol. 3 , nr. 10 . - s. 586-609 . - doi : 10.1098/rsbm.1941.0024 .
  2. Thomson; Herr; Joseph John (1856 - 1940); Knight Physicist // Webbplats för Royal Society of London  (engelska)
  3. Les membres du passé dont le nom commence par T Arkiverad 6 augusti 2020 på Wayback Machine  (FR)
  4. Profil av Sir Joseph John Thomson på den officiella webbplatsen för den ryska vetenskapsakademin
  5. Robert John Strutt (1941). "Joseph John Thomson, 1856 - 1940" . Biografiska memoarer av stipendiater från The Royal Society . 3 (10): 587–609. DOI : 10.1098/rsbm.1941.0024 .
  6. Joseph Thomson (1876). "XX. Experiment på kontaktel mellan icke-ledare” . Royal Societys handlingar . 25 (171-178): 169-171. DOI : 10.1098/rspl.1876.0039 .
  7. JJ Thomson. Tillämpningar av dynamik på fysik och kemi . — Macmillan, 1888.
  8. Information Arkiverad från originalet den 12 januari 2003. från NAHSTE Arkiverad från originalet den 1 oktober 2006. (Navigationshjälpmedel för vetenskapens historia Teknik & miljö). Lewis, John J. The Physical Society and Institute of Physics 1874-2002  . - Institute of Physics Publishing , 2003. - ISBN 0-7503-0879-6 .
  9. JJ Thomson, E. Rutherford. Om elektricitets passage genom gaser som exponeras för Röntgens strålar // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1896. - T. 42 , N:o 258 . - S. 392-407 . - doi : 10.1080/14786449608620932 .
  10. JJ Thomson. XXIV. Om atomens struktur: en undersökning av stabiliteten och svängningsperioderna för ett antal blodkroppar anordnade med lika mellanrum runt en cirkels omkrets; med tillämpning av resultaten på teorin om atomstruktur // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - T. 7 , nr 39 . - S. 237-265 .
  11. JJ Thomson. Conduction of Electricity Through Metals // Proceedings of the Physical Society of London. - 1914. - T. 27 , nr 1 . - S. 527 .
  12. JJ Thomson. Nya undersökningar inom elektricitet och magnetism . — Oxford: Clarendon, 1893.

Länkar