Sir Joseph John Thomson ( eng. Joseph John Thomson ; 18. december 1856 - 30. august 1940 ) - engelsk fysiker , vinder af Nobelprisen i fysik i 1906 med formuleringen "for hans forskning i elektricitets passage gennem gasser."
Hans mest betydningsfulde undersøgelser er [1] :
Medlem (1884) og præsident (1915-1920) af Royal Society of London [2] , udenlandsk medlem af Paris Academy of Sciences (1919; korrespondent siden 1911) [3] , udenlandsk korresponderende medlem af St. Petersburg Academy of Videnskaber (1913) og æresmedlem af Det Russiske Videnskabsakademi (1925) [4] .
Joseph John Thomson blev født den 18. december 1856 på Cheetham Hill nær Manchester af Joseph James Thomson og hans kone, født Emma Swindellt. Hans far var en indfødt skotte og drev familievirksomheden med at udgive og sælge bøger i Manchester. På opfordring fra sin far gik han i lære på et ingeniørfirma, men på grund af vanskeligheder med at finde arbejde blev han midlertidigt sendt til Owens College , Manchester. Thomson betragtede dette mere eller mindre tilfældige sæt omstændigheder som et vendepunkt i hans liv. Under sin tid på Owens College blev han påvirket af fysikeren Balfour Stewart , ingeniøren Osborne Reynolds og matematikeren Thomas Barker [5] .
Hans matematiske og videnskabelige evner blev hurtigt bemærket, han blev involveret af Balfour Stewart i forskellige fysiske undersøgelser og publicerede til sidst en kort artikel "Experiments on contact electricity between non-conductors" [6] i Transactions of the Royal Society . Mens han studerede på Owens College mødte han Arthur Schuster og John Henry Poynting , som han blev et livslangt venskab med.
På Barkers råd opgav han ideen om en karriere inden for ingeniørvidenskab og gik ind på Trinity College , Cambridge i oktober 1876 , hvor han modtog sin bachelorgrad i 1880 . Efter dette tidspunkt blev hans liv næsten udelukkende tilbragt i Cambridge, med undtagelse af et par korte rejser til Amerika . Hans matematiske uddannelse ved Cambridge var stort set under vejledning af E. J. Root . Thomson kom hverken dengang eller senere under James Clerk Maxwells personlige indflydelse .
Efter at have modtaget sin bachelorgrad blev han associeret med Trinity College og begyndte sin forskning i matematisk og eksperimentel fysik. Hans tidlige matematiske arbejde bestod i udviklingen af elektromagnetisk teori og anvendelsen af Lagranges dynamiske metoder til problemer inden for matematik og fysik. Disse undersøgelser, ledet af Lord Rayleigh , blev efterfølgende opsummeret i bogen "Application of Dynamics to Physics and Chemistry" [7] , men de resultater, han opnåede i denne periode, bestod ikke tidens prøve.
Efter Lord Rayleighs pensionering som Cavendish Professor ved Cambridge i slutningen af 1884, blev Thomson valgt til at erstatte ham. På trods af sin ungdom (Thomson var omkring 27 år gammel på det tidspunkt), viste han sig som en dygtig leder af Cavendish Laboratory . Han var selv en gennemsnitlig eksperimentator og havde et relativt dårligt kendskab til mekaniske processer, men ikke desto mindre opvejede hans enestående evner og naturlige opfindsomhed i høj grad disse mangler.
I 1890 giftede han sig med Rose Paget , datter af Sir George Paget . Hans børn i dette ægteskab var George Paget Thomson (1892-1975), senere professor i fysik og 1937 Nobelprisen i fysik for opdagelsen af elektrondiffraktion ved hjælp af krystaller , og Miss Joan Thomson .
De følgende årtiers arbejde som leder af Cavendish Laboratory i Cambridge var de mest produktive i hans liv. Så det er til denne periode, at al Thomsons forskning om passage af elektricitet gennem gasser, som han blev tildelt Nobelprisen i fysik for i 1906, hører hjemme .
Mod slutningen af krigen, i 1918 , med Dr. G. Montagu Butlers død, blev stillingen som leder af Trinity College, Cambridge, som var blevet tilbudt Thomson af Lloyd George , ledig . Samtidig beholdt han Cavendish-professoratet indtil krigens afslutning, hvor han blev efterfulgt af stillingen af sin studerende Rutherford . Han fortsatte ikke desto mindre med at arbejde på Cavendish Laboratory i flere år, men yderligere forskning viste sig at være usammenlignelig i betydning med førkrigstidens.
Fra 1914 til 1916 var Joseph John Thomson præsident for London Society of Physicists . [otte]
I 1915 blev han præsident for Royal Society of London og efterfulgte Sir William Crookes , en post han havde indtil 1920 . Ifølge hans samtidiges erindringer var han altid klar til diskussion ved møder i samfundet, selvom artiklen ikke tilhørte området for hans videnskabelige interesser, hvilket udelukkede muligheden for enhver overfladisk overvejelse. Parathed til dialog og personlig stimulering, kombineret med autoritet på det videnskabelige område, gjorde ham til en værdifuld videnskabsmand og en inspirationskilde for mange forskere.
Fra 1921 til 1923 tjente J. J. Thomson som præsident for Physics Institute .
Thomson døde i Cambridge den 30. august 1940 i en alder af 83. [en]
Hans tidlige forskning i udledning af elektricitet gennem gasser var meget varieret. Han ledte efter et udgangspunkt, hvorfra han kunne begynde en tilstrækkelig teoretisk underbygning af en lang række af eksperimentelle data opnået.
Den største vanskelighed ved forskning på dette område var forbundet med tilstedeværelsen af metalelektroder , og Thomson mente, at hvis den elektriske udladning var opnået uden brug af elektroder (og derfor uden sideprocesser, der opstod på kontaktfladen af elektroder med gas) ), så kunne et sådant eksperiment være udgangspunktet for at forklare dette fænomen. Denne betragtning var grundlaget for undersøgelsen af den elektrodeløse udladning. Disse undersøgelser gav en vigtig eksperimentel metode, som blev brugt i forskellige retninger, især til undersøgelse af efterglød i gasser og forskellige spektrale undersøgelser, men som metode til undersøgelse af udledningsmekanismen viste den sig i det væsentlige at være ubrugelig pga. den diskontinuerlige karakter af den inducerede udledning, hvilket gør kvantitative målinger vanskelige. . Thomson brugte meget tid på at studere elektrolyse af damp og bestemme den tilsyneladende hastighed, hvormed gløden forplanter sig langs et langt evakueret rør. Men også disse undersøgelser levede ikke op til forventningerne. Thomsons mest frugtbare periode med forskning i den elektriske udladning begyndte med opdagelsen af røntgenstråler i 1896 .
Ved at eksperimentere med det opdagede Thomson hurtigt, at gasser udsat for røntgenstråler begynder at transmittere elektricitet under påvirkning af en lille påført spænding . Denne type ledning var klart forskellig fra den, der fandt sted under passagen af en gnist , da en gnist altid kræver en spænding på mindst 300 volt under de mest gunstige forhold, mens ledning under påvirkning af røntgenstråler observeres ved en meget lavere spænding. Opdagelsen af denne type ledning blev gjort samtidigt i andre laboratorier, men det var i Cavendish Laboratory, at dens mekanisme blev optrevlet. Thomson og Rutherford udgav et vigtigt papir [9] , hvori det blev vist, at røntgenstrålers funktion var at frigive ladede ioner fra en gas, der bevæger sig under en påført spænding og dermed skabe ladningsbærere. Hvis strålingen blev slukket, ville disse ioner rekombinere for at danne neutrale molekyler . På den anden side, i nærvær af røntgenstråler, var den passerende strøm afhængig af den påførte spænding. Hvis den var lille, bevægede ionerne sig langsomt og overvandt modstanden fra den omgivende luft, og kun en lille strøm strømmede , og de fleste af de dannede ioner blev udledt ved rekombination. Hvis den påførte spænding var signifikant, blev ionernes bevægelse så hurtig, at de ikke nåede at rekombinere, før de nåede elektroderne. I dette tilfælde var alle ioner dannet under påvirkning af stråling involveret i ladningsoverførsel og blev ikke forbrugt som et resultat af rekombination, og den resulterende strøm nåede sin maksimale værdi, og en yderligere stigning i spændingen under disse forhold kunne ikke øge den . Denne maksimale strøm blev kaldt "mætningsstrøm" af Thomson og bærer stadig dette navn. Efterhånden som afstanden mellem elektroderne steg, steg mætningsstrømmen også. Denne adfærd svarede ikke til dataene om den elektriske ledningsevne af metaller eller elektrolytopløsninger og udgjorde et overbevisende bevis for rigtigheden af fortolkningen af dette fænomen.
Kort efter fandt andre medlemmer af laboratoriet, herunder Rutherford og Zeleny , den absolutte hastighed af ioner i luft under påvirkning af en potentialgradient , der som forventet viste sig at være proportional med den påførte spænding .
Efter at have forklaret mekanismen for gasudladning under røntgenbestråling, vendte Thomson sig til en nærmere undersøgelse af katodestrålernes natur . Dette spørgsmål optog ham i mange år, og han var altid tilbøjelig til det synspunkt, forsvaret af Varley og Crookes , at disse stråler består af negativt ladede partikler, der stammer fra katoden , i modsætning til de tyske fysikere Goldstein , Hertz ' synspunkt. og Lenard , som mente, at de er bølger, der passerer gennem æteren. Thomson blev primært påvirket af, at disse stråler blev afbøjet i et magnetfelt i en retning på tværs af deres bevægelse. Aldrig før det øjeblik havde han tvivlet på, at ladede partikler var molekyler eller atomer . Ved at kvantificere den magnetiske afbøjning begyndte han at tvivle på, om en sådan opfattelse var pålidelig, da afbøjningen var væsentligt større end denne hypotese forudsagde. Nogle af de ovennævnte efterforskere har ledt efter elektrostatisk afbøjning af katodestråler, men har ikke fundet det under nogen lige så simple forhold. Thomson var tilbøjelig til at tro, at fejlen i disse eksperimenter skyldtes ledningsevnen af den resterende gas, og ved at arbejde under meget højt vakuum var han i stand til at opnå en elektrostatisk afbøjning. Ved at kombinere data om elektrostatisk og magnetisk afbøjning var han i stand til at opnå hastigheden af partikler i strålerne og forholdet mellem deres ladning og masse. Denne værdi viste sig at være forskellig i værdi fra den, der blev fundet for brintatomer under elektrolyse . Forudsat at ladningen var den samme i begge tilfælde, fulgte det af de eksperimentelle data, at massen af katodestrålepartiklerne var meget lille sammenlignet med massen af brintatomet. Thomson bekræftede groft denne værdi af masse-til-ladning-forholdet ved kalorimetriske målinger af den energi , som strålerne bærer på samme tid som den ladning, der overføres af dem. På det tidspunkt var han endnu ikke sikker på ligheden mellem ladningerne af katodepartikler og brintatomer under elektrolyse.
Det næste trin var at bestemme den absolutte værdi af ladningen af ioner opnået i luft under påvirkning af røntgenstråler. Han gjorde dette ved at bruge C. T. R. Wilsons opdagelse af, at disse ioner kunne fungere som kondensationscentre for væskedråber. Det blev muligt at danne en sky indeholdende en kendt mængde vanddamp og et antal dråber svarende til antallet af ioner. Ud fra dråbesætningshastigheden var det muligt at beregne størrelsen af dråberne og deres antal og dermed bestemme antallet af dannede ioner. Ved at kende deres samlede ladning var det muligt at bestemme ladningen af en ion, som viste sig at være lig med 6,5· 10 −10 Fr. Tager man værdien af brintatomets absolutte vægt fra kinetisk teori , viste det sig at være sandsynligt, at ladningsværdien af ionen var lig med ladningen af brintatomet i elektrolyse.
På dette tidspunkt var der ikke opstillet noget eksperiment, hvor det ville være muligt samtidig at bestemme både ladningen og masse-til-ladning-forholdet for en katodestrålepartikel. Thomson så muligheden for samtidig at bestemme disse mængder for partikler, der bortfører en negativ ladning, når ultraviolet stråling rammer zink . Han udviklede en metode til at bestemme masse-til-ladning-forholdet for dem og ladningen af en partikel ved hjælp af dråbekondensationsmetoden. Formålet med forsøget var utvetydigt at vise, at disse partikler har en masse i størrelsesordenen en tusindedel af brint, og en ladning svarende til brintatomets ved elektrolyse. Thomson kaldte i tidlige publikationer disse partikler for corpuscles , så begyndte han at bruge ordet " elektron ", som tidligere blev brugt af George Johnston Stoney i et meget mindre specifikt tilfælde.
Thomson fortsatte med at udvikle i detaljer begrebet elektroner som partikler, der udgør atomet . Ud fra konklusionen på Barkles eksperiment om spredning af røntgenstråler med luft og andre gasser, bestemte han, at antallet af elektroner i et atom afhænger af atomvægten. Thomson foreslog en model af et atom [10] , som består af en positivt ladet kugle, hvor elektroner er i stabil statisk ligevægt med deres gensidige frastødning og tiltrækning til en positivt ladet kugle, og var i stand til at vise, at en sådan model ville have periodisk egenskaber, hvis elektronerne blev samlet i på hinanden følgende ringe, efterhånden som deres antal stiger. Thomsons model gav i det væsentlige samme grundlag for den periodiske lov som de mere avancerede modeller baseret på atomkernen, som blev afledt af Bohr fra spektraldata. Thomson kom senere med begrebet metallisk ledning i form af bevægelsen af frie elektroner i et metal. [elleve]
En anden stor periode af Thomsons eksperimentelle aktivitet i 1906-1914 er forbundet med arbejde med fænomenet positivt ladede (anode) stråler. Positivt ladede stråler blev opdaget af Goldstein under udledning af rør med et hul i katoden ved lavt tryk. De passerede i det kraftfrie rum bag katoden. V. Win viste, at disse stråler er af korpuskulær natur og bærer en positiv ladning. Han fastslog senere, at disse partikler havde atomare dimensioner.
Da Thomson vendte sig mod dette emne, var det endnu ikke lykkedes nogen at adskille de forskellige typer atomer, der kunne repræsenteres i disse stråler, og dette var hans store bedrift. Thomsons metode bestod i at bruge både magnetiske og elektrostatiske felter , hvilket gav afvigelser langs vinkelrette koordinater . Strålerne blev fikseret på en fotografisk plade , og koordinaterne målt fra billedet gav separate magnetiske og elektrostatiske afvigelser.
Thomson fandt det vigtigt at udføre disse eksperimenter ved det lavest mulige gastryk for at undgå den sekundære proces forbundet med forstærkning eller tab af ladning ved at flytte partikler. Ved udførelse af et eksperiment under disse betingelser viste det sig, at billedet opnået på en fluorescerende skærm eller fotografisk plade er en række parabler med et fælles toppunkt i punktet med nul afbøjning og akser parallelle med retningen af den elektrostatiske afbøjning. Hver af disse paraboler svarede til en type atom eller atomgruppe med en specifik ladning, og hvert punkt på kurven svarede til en anden partikelhastighed . Således blev tilstedeværelsen af en lang række atomer og atomgrupper i et udladningsrør bevist, hvis natur kunne bestemmes af værdien af koordinaterne i billedet, idet man kender værdierne af de elektrostatiske og magnetiske felter. En grundlæggende ny metode til kemisk analyse blev også udviklet, og en generel bekræftelse af de opnåede resultater blev givet ved kemiske metoder. Denne metode kaldes " massespektrometri ". Det blev for eksempel vist, at et kviksølvatom kan påtage sig en anden ladning, lige i modul fra en til syv elektronladninger. Et andet meget vigtigt resultat var det faktum, at neon i dette eksperiment viste to forskellige paraboler, den ene refererede til en atommasse på 20 og den anden til en atommasse på 22. Dette var det første bevis for eksistensen af stabile ikke-radioaktive isotoper . I disse eksperimenter blev Thomson assisteret af Dr. F. W. Aston , som videreudviklede disse ideer uafhængigt og modtog Nobelprisen i kemi i 1922 for sin forskning i massespektrometri.
Mens han tjente som Cavendish-professor og leder af Cavendish Physical Laboratory i Cambridge , opnåede Thomson succes med at skabe en unik eksperimentel skole. På dette tidspunkt arbejdede op mod 40 forskere samtidigt under hans ledelse, herunder ganske ofte professorer fra amerikanske og kontinentale universiteter. Som en konsekvens heraf blev et stort antal professorater i fysik i engelsktalende lande besat på forskellige tidspunkter af hans tidligere studerende.
Dette blev i høj grad lettet af det faktum, at der under Thomsons embedsperiode som Cavendish Professor ved University of Cambridge opstod en ordning, der gjorde det muligt for kandidater fra andre universiteter at opnå et Cambridge diplom gennem forskningsarbejde i to år. Denne ordning blev ikke udviklet med et særligt fokus på videnskab i almindelighed eller fysik i særdeleshed, men det viste sig at være særligt efterspurgt inden for murene af Cavendish Laboratory. Thomsons publikationer, og især hans "Recent researches in electricity and magnetism" [12] , udgivet i 1893 som et supplement til en afhandling af James Clerk Maxwell , spredte hans berømmelse vidt, hvilket tiltrak mange talentfulde videnskabsmænd fra koloniale og udenlandske universiteter til Cavendish Laboratory. Blandt dem var E. Rutherford fra Wellington College , New Zealand , J. S. Townsend fra Trinity College , Dublin , J. A. McClellaland fra University of Dublin , J. C. McLennan fra Toronto , P. Langevin fra Paris og flere andre. Derudover var blandt dem C. T. R. Wilson, W. C. D. Wetham (senere Dampier ) og andre, der var på prøve i Cambridge .
Under Første Verdenskrig , fra 1914-1918, var Thomson hovedsageligt engageret i rådgivnings- og kommissionsarbejde i bestyrelsen for opfindelser og forskning under Lord Fisher , hvor han var medlem. Dette arbejde og de muligheder, det gav ham for at komme i kontakt med en bredere kreds af kolleger end tidligere, var meget interessant for ham.
Han fortsatte arbejdet med at tiltrække nye forskere som leder af Trinity College , hvor han arbejdede indtil slutningen af sit liv.
Under sine studier i Cambridge deltog han ikke i sport, selvom han dengang og senere viste en stærk interesse for andres præstationer. Som leder af Trinity College var han også interesseret i konkurrencesport, og intet kunne have været mere tilfredsstillende end at se en god fodboldkamp eller se Trinity-roholdet på floden. Det kunne ses selv i mindre løb. Han glædede sig oprigtigt over invitationer til en uformel studentermiddag, og det forekom ham, at det vakte mere glæde end mange af de højtidelige begivenheder, som han var tvunget til at deltage i på grund af sin stilling.
Joseph John Thomson talte ikke noget fremmedsprog og nægtede ethvert forsøg på at tale selv på fransk, idet han udelukkende stolede på sin kone som tolk. Selvom han kunne læse fransk og tysk flydende, skrev eller talte han aldrig disse sprog. Flydende i esperanto.
Som formand for Trinity College-rådet mistede han aldrig hovedet i politiske stridigheder, selv på trods af de til tider uhøflige bemærkninger fra folk, der havde andre synspunkter end hans egne. Han mente, at sådanne overtrædelser bedst blev ignoreret og dermed hurtigst glemt.
Thomson havde en bemærkelsesværdig evne til finansiel aktivitet og forvaltede på en diskret måde sine investeringer så vellykket, at han var i stand til at samle en anstændig formue, begyndende med ekstremt lille kapital. Denne side af hans arbejde er normalt meget mindre kendt, på trods af at han altid har vist interesse for principperne for driften af både små virksomheder og store finansielle systemer.
Ifølge samtidens erindringer var han en entusiastisk gartner og viste stor interesse for udvælgelsen af planter og løg til sin have, selv om han ikke lagde store fysiske kræfter i dette. [en]
Joseph John Thomson var medlem af mange videnskabelige selskaber, herunder Royal Society of London og Institute of France , såvel som modtageren af mange priser og priser, blandt hvilke er følgende:
I 1970 opkaldte Den Internationale Astronomiske Union et krater på den anden side af Månen efter Joseph John Thomson .
Tematiske steder | ||||
---|---|---|---|---|
Ordbøger og encyklopædier | ||||
Slægtsforskning og nekropolis | ||||
|
Vindere af Nobelprisen i fysik i 1901-1925 | |
---|---|
| |
|
1906 _ | Nobelprismodtagere i|
---|---|
Fysiologi eller medicin | Camillo Golgi ( Italien ) Santiago Ramon y Cajal ( Spanien ) |
Fysik | Joseph John Thomson ( GBR ) |
Kemi | Henri Moissan ( Frankrig ) |
Litteratur | Giosue Carducci ( Italien ) |
Verden | Theodore Roosevelt ( USA ) |