Thomsoni füüsiku elulugu. Joseph John Thomsoni elulugu

Inglise füüsik Joseph John Thomson sündis Manchesteri eeslinnas Cheetham Hillis Joseph Jamesi ja Emma (sündinud Swindells) Thomsoni peres. Kuna tema raamatumüüjast isa soovis, et poisist saaks insener, suunati ta neljateistkümneaastaselt Owensi kolledžisse (praegu Manchesteri ülikool). Kaks aastat hiljem isa aga suri, jättes poja ilma rahata. Õpinguid jätkas ta aga tänu ema rahalisele toele ja stipendiumifondile.

Owensi kolledž mängis Thomsoni karjääris olulist rolli, kuna sellel oli suurepärane õppejõud ja erinevalt enamikust tolleaegsetest kolledžitest eksperimentaalfüüsika kursused. Saanud 1876. aastal Owensis inseneri tiitli, astus Thomson Cambridge'i ülikooli Trinity kolledžisse. Siin õppis ta matemaatikat ja selle rakendusi teoreetilise füüsika probleemide lahendamiseks. Ta sai bakalaureusekraadi matemaatikas 1880. aastal. Järgmisel aastal valiti ta Trinity College'i akadeemilise nõukogu liikmeks ja asus tööle Cavendishi laboratooriumis Cambridge'is.

1884. aastal astus tagasi J. W. Strett, James Clerk Maxwelli järglane eksperimentaalfüüsika professorina ja Cavendishi labori direktor. Sellele ametikohale asus Thomson, kuigi ta oli siis vaid kahekümne seitsme aastane ega olnud eksperimentaalfüüsikas veel märgatavat edu saavutanud. Siiski hinnati teda kõrgelt matemaatiku ja füüsikuna ning ta rakendas aktiivselt Maxwelli elektromagnetismi teooriat, mida peeti talle sellele ametikohale soovitades piisavaks.

Uutele tööülesannetele laboris asunud, otsustas Thomson, et tema uurimistöö põhisuunaks peaks olema gaaside elektrijuhtivuse uurimine. Eriti huvitasid teda mõjud, mis tekivad siis, kui elektrilahendus läbib klaastoru vastasotstesse paigutatud elektroodide vahelt, millest peaaegu kogu õhk on välja pumbatud. Mitmed uurijad, nende hulgas ka inglise füüsik William Crookes, juhtisid tähelepanu ühele kummalisele nähtusele, mis sellistes gaaslahendustorudes esineb. Kui gaas muutub piisavalt haruldaseks, hakkavad toru klaasseinad, mis asuvad katoodi vastas (negatiivne elektrood), fluorestseerima roheka valgusega, mis ilmnes ilmselt katoodil tekkiva kiirguse mõjul.

Katoodkiired äratasid teadusringkondades suurt huvi ja nende olemuse kohta avaldati kõige vastuolulisemaid arvamusi. Briti füüsikud uskusid üldiselt, et need kiired on laetud osakeste voog. Vastupidi, saksa teadlased kaldusid üldiselt uskuma, et tegemist on häiretega – võib-olla võnkumiste või vooludega – mõnes hüpoteetilises kaaluta keskkonnas, milles nad uskusid, et kiirgus levib. Sellest vaatenurgast peeti katoodkiiri omamoodi kõrgsageduslikuks elektromagnetlaineks, mis sarnaneb ultraviolettvalgusega. Sakslased viitasid Heinrich Hertzi katsetele, kes arvatavasti avastas, et katoodkiired jäid magnetvälja poolt kõrvale kaldudes tugeva elektrivälja suhtes tundetuks. See pidi ümber lükkama idee, et katoodkiired on laetud osakeste voog, kuna elektriväli mõjutab selliste osakeste trajektoori alati. Isegi kui see nii oli, ei jäänud Saksa teadlaste eksperimentaalsed argumendid siiski täiesti veenvaks.

Katoodkiirte ja sellega seotud nähtuste uurimisele andis hoogu Wilhelm Röntgeni röntgenikiirguse avastus 1895. aastal. Muide, see kiirgusvorm, mida varem ei osatud kahtlustada, esineb ka gaaslahendustorudes (aga mitte katoodil, vaid anoodil). Thomson, töötades koos Ernest Rutherfordiga, avastas peagi, et gaaside kiiritamine röntgenikiirgusega suurendas oluliselt nende elektrijuhtivust. Röntgenikiirgus ioniseeritud gaasid, s.o. nad muutsid gaasiaatomid ioonideks, mis erinevalt aatomitest on laetud ja toimivad seetõttu heade voolukandjatena. Thomson näitas, et siin esinev juhtivus on mõnevõrra sarnane ioonjuhtivusega lahuses elektrolüüsi ajal.

Olles oma õpilastega läbi viinud väga viljaka gaaside juhtivuse uuringu, jõudis Thomson, oma õnnestumistest julgustatuna, lahendamata probleemiga, mis oli teda vaevanud juba aastaid, nimelt katoodkiirte koostisega. Nagu teisedki inglise kolleegid, oli ta veendunud katoodkiirte korpuskulaarses olemuses, uskudes, et need võivad olla kiired ioonid või muud elektrifitseeritud osakesed, mis katoodilt välja pääsevad. Korrates Hertzi katseid, näitas Thomson, et tegelikult suunavad katoodkiiri elektriväljad kõrvale. (Hertzi negatiivne tulemus tulenes sellest, et tema lahendustorudes oli liiga palju jääkgaasi.) Hiljem märkis Thomson, et „katoodkiirte kõrvalekaldumine elektrijõudude mõjul muutus üsna märgatavaks ja selle suund viitas sellele, et katoodi moodustavad osakesed katoodkiired kandsid negatiivset laengut. See tulemus kõrvaldab vastuolu elektriliste ja magnetiliste jõudude mõju vahel katoodosakestele. Kuid sellel on palju suurem tähendus. Siin on võimalus mõõta nende osakeste kiirust v, aga ka e/m, kus m on osakese mass ja e on selle elektrilaeng.

Thomsoni pakutud meetod oli väga lihtne. Kõigepealt kallutati katoodkiirte kiir elektrivälja toimel ja seejärel magnetvälja toimel sama palju vastupidises suunas, nii et lõpuks sai kiir uuesti sirgeks. Seda katsetehnikat kasutades sai võimalikuks tuletada lihtsaid võrrandeid, millest, teades kahe välja tugevusi, on lihtne määrata nii v kui ka e/m.

Katoodi "kehade" (nagu Thomson neid nimetab) e/m väärtus osutus 1000 korda suuremaks kui vesinikiooni vastav väärtus (nüüd teame, et tegelik suhe on 1800:1 lähedal). Vesinikul on kõigist elementidest kõrgeim laengu ja massi suhe. Kui, nagu Thomson arvas, kannavad kehakesed sama laengut kui vesinikioon, ("ühik" elektrilaeng), siis oli ta avastanud uue olemi, mis on 1000 korda kergem kui kõige lihtsam aatom.

See oletus leidis kinnitust, kui Thomson suutis C. T. R. Wilsoni leiutatud instrumendi abil mõõta e väärtust ja näidata, et see on tõepoolest võrdne vesinikiooni vastava väärtusega. Lisaks avastas ta, et katoodkiirekehade laengu ja massi suhe ei sõltu sellest, milline gaas on lahendustorus või mis materjalist elektroodid on valmistatud. Veelgi enam, sama e/m suhtega osakesi saab eraldada söest kuumutamisel ja metallidest ultraviolettkiirgusega kokkupuutel. Sellest järeldas ta, et „aatom ei ole aine jaguvuse lõplik piir; saame liikuda edasi - korpusklisse ja see korpuskulaarfaas on sama, olenemata päritoluallikast... Ilmselt on see kõigi aineliikide lahutamatu osa väga erinevates tingimustes, nii et tundub üsna loomulik pidada korpust üheks ehitusplokiks, millest aatom on ehitatud."

Thomson läks kaugemale ja pakkus välja aatomi mudeli, mis oli tema avastusega kooskõlas. 20. sajandi alguses. ta oletas, et aatom on hägune sfäär, mis kannab positiivset elektrilaengut ja milles on jaotunud negatiivselt laetud elektronid (nagu hakati lõpuks nimetama kehakesi). Kuigi see mudel asendati peagi Rutherfordi pakutud aatomi tuumamudeliga, oli sellel tolle aja teadlastele väärtuslikke omadusi, mis stimuleerisid nende otsinguid.

Thomson sai 1906. aastal Nobeli füüsikaauhinna, "tunnustades tema silmapaistvaid teeneid gaaside elektrijuhtivuse teoreetiliste ja eksperimentaalsete uuringute alal". Laureaadi üleandmise tseremoonial õnnitles Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia liige J. P. Klason Thomsonit selle eest, et ta "kinkis maailmale mitu suurt teost, mis võimaldavad meie aja loodusfilosoofil teha uusi uurimistöid uutes suundades". Näidates, et aatom ei ole viimane jagamatu aineosake, nagu kaua arvati, avas Thomson tõepoolest ukse füüsikateaduse uude ajastusse.

Aastatel 1906–1914 Thomson alustas oma teist ja viimast suuremat eksperimentaalse tegevuse perioodi. Ta uuris kanalikiiri, mis liiguvad lahendustorus katoodi poole. Kuigi Wilhelm Wien oli juba näidanud, et kanalikiired kujutavad endast positiivselt laetud osakeste voogu, valgustasid Thomson ja tema kolleegid nende omadusi ning tuvastasid nende kiirte erinevat tüüpi aatomid ja aatomirühmad. Oma katsetes demonstreeris Thomson täiesti uut viisi aatomite eraldamiseks, näidates, et mõned aatomirühmad, nagu CH, CH 2 ja CH 3, võivad eksisteerida, kuigi tavatingimustes on nende olemasolu ebastabiilne. Samuti on oluline, et ta suutis avastada, et inertgaasi neooni proovid sisaldasid kahe erineva aatommassiga aatomeid. Nende isotoopide avastamine mängis olulist rolli raskete radioaktiivsete elementide, nagu raadium ja uraan, olemuse mõistmisel.

Esimese maailmasõja ajal töötas Thomson Uurimis- ja Leiutamisbüroos ning oli valitsuse nõunik. 1918. aastal sai temast Trinity kolledži juht. Aasta hiljem sai Rutherford tema asemel eksperimentaalfüüsika professori ja Cavendishi labori direktori ametikoha. Pärast 1919. aastat piirdus Thomsoni tegevus Trinity College'i juhi ülesannete täitmisega, Cavendishi laboris täiendavate uurimistööde ja tulusate investeeringutega. Talle meeldis aiatöö ja ta käis sageli pikkadel jalutuskäikudel ebatavalisi taimi otsimas.

Thomson abiellus 1890. aastal Rose Pagetiga; neil sündisid poeg ja tütar. Tema poeg J. P. Thomson sai 1937. aasta Nobeli füüsikaauhinna. Thomson suri 30. augustil 1940 ja maeti Londoni Westminster Abbeysse. Thomson ei mõjutanud füüsikat mitte ainult oma hiilgava eksperimentaalse uurimistöö kaudu, vaid ka suurepärase õpetaja ja Cavendishi labori suurepärase direktorina. Nendest omadustest köitetuna valisid sajad kõige andekamad noored füüsikud üle kogu maailma Cambridge'i oma õppekohaks. Thomsoni juhtimisel Cavendishis töötanutest sai seitsmest Nobeli preemia laureaat. Lisaks Nobeli preemiale pälvis Thomson palju muid auhindu, sealhulgas Londoni Kuningliku Seltsi poolt välja antud Royal (1894), Hughesi (1902) ja Copley (1914) medalid. Ta oli 1915. aastal Londoni Kuningliku Seltsi president ja 1908. aastal aadlistati.

Owensi kolledž mängis T. karjääris olulist rolli, kuna seal oli suurepäraselt varustatud õppejõud ja erinevalt enamikust tolleaegsetest kolledžitest õpetati eksperimentaalfüüsika kursusi. Saanud 1876. aastal Owensis inseneri tiitli, astus T. Cambridge'i ülikooli Trinity kolledžisse. Siin õppis ta matemaatikat ja selle rakendusi teoreetilise füüsika probleemide lahendamiseks. Ta sai bakalaureusekraadi matemaatikas 1880. aastal. Järgmisel aastal valiti ta Trinity College'i akadeemilise nõukogu liikmeks ja asus tööle Cavendishi laboratooriumis Cambridge'is.

Aastal 1884 J.W. Strett, James Clerk Maxwelli järglane eksperimentaalfüüsika professorina ja Cavendishi labori direktor, astus tagasi. T. asus sellele ametikohale, kuigi ta oli siis vaid kahekümne seitsme aastane ega olnud eksperimentaalfüüsikas veel märgatavat edu saavutanud. Siiski hinnati teda kõrgelt matemaatilise füüsikuna, ta rakendas aktiivselt Maxwelli elektromagnetismi teooriat, mida peeti talle sellele ametikohale soovitamisel piisavaks.

Uutele tööülesannetele laboris asunud, otsustas T., et tema uurimistöö põhisuunaks peaks olema gaaside elektrijuhtivuse uurimine. Eriti huvitasid teda mõjud, mis tekivad siis, kui elektrilahendus läbib klaastoru vastasotstesse paigutatud elektroodide vahelt, millest peaaegu kogu õhk on välja pumbatud. Mitmed teadlased, sealhulgas inglise füüsik William Crookes, juhtisid tähelepanu ühele kummalisele nähtusele, mis sellistes gaaslahendustorudes esineb. Kui gaas muutub piisavalt haruldaseks, hakkavad toru klaasseinad, mis asuvad katoodi vastas (negatiivne elektrood), fluorestseerima roheka valgusega, mis ilmnes ilmselt katoodil tekkiva kiirguse mõjul.

Katoodkiirte ja sellega seotud nähtuste uurimisele andis hoogu Wilhelm Roentgeni röntgenikiirguse avastus 1895. aastal. Muide, see kiirgusvorm, mida varem ei osatud kahtlustada, esineb ka gaaslahendustorudes (aga mitte katoodil, vaid anoodil). Varsti avastas T. koos Ernest Rutherfordiga, et gaaside kiiritamine röntgenikiirgusega suurendab oluliselt nende elektrijuhtivust. Röntgenikiirgus ioniseeritud gaasid, s.o. nad muutsid gaasiaatomid ioonideks, mis erinevalt aatomitest on laetud ja toimivad seetõttu heade voolukandjatena. T. näitas, et siin tekkiv juhtivus on mõnevõrra sarnane ioonjuhtivusega lahuses elektrolüüsi ajal.

Olles oma õpilastega läbi viinud väga viljaka gaaside juhtivuse uuringu, jõudis T. oma edust innustunult lahendamata probleemiga, mis oli teda vaevanud aastaid, nimelt katoodkiirte koostisega. Nagu teisedki inglise kolleegid, oli ta veendunud katoodkiirte korpuskulaarses olemuses, uskudes, et need võivad olla kiired ioonid või muud elektrifitseeritud osakesed, mis katoodilt välja pääsevad. Korrates Hertzi katseid, näitas T., et tegelikult kalduvad katoodkiired elektriväljade poolt kõrvale. (Hertzi negatiivne tulemus tulenes sellest, et tema gaaslahendustorudes oli liiga palju jääkgaasi.) T. märkis hiljem, et „katoodkiirte kõrvalekaldumine elektrijõudude mõjul muutus üsna nähtavaks ja selle suund näitas, et osakesed moodustades katoodkiired kandsid negatiivset laengut. See tulemus kõrvaldab vastuolu elektriliste ja magnetiliste jõudude mõju vahel katoodosakestele. Kuid sellel on palju suurem tähendus. Siin on võimalus mõõta nende osakeste kiirust v, aga ka e/m, kus m on osakese mass ja e on selle elektrilaeng.

T. pakutud meetod oli väga lihtne. Kõigepealt kallutati katoodkiirte kiir elektrivälja toimel ja seejärel magnetvälja toimel sama palju vastupidises suunas, nii et lõpuks sai kiir uuesti sirgeks. Seda katsetehnikat kasutades sai võimalikuks tuletada lihtsaid võrrandeid, millest, teades kahe välja tugevusi, on lihtne määrata nii v kui ka e/m.

Katoodi "kehakeste" (nagu T. neid nimetab) nii leitud e/m väärtus osutus 1000 korda suuremaks kui vesinikiooni vastav väärtus (nüüd teame, et tegelik suhe on 1800:1 lähedal) . Vesinikul on kõigist elementidest kõrgeim laengu ja massi suhe. Kui T. uskus, et kehakestel oli sama laeng kui vesinikuioonil, ("üksik" elektrilaeng), siis avastas ta uue olemi, mis on 1000 korda kergem kui kõige lihtsam aatom.

See oletus leidis kinnitust, kui T. kasutas C.T. leiutatud seadet. R. Wilson, suutis mõõta e väärtust ja näidata, et see on tõepoolest võrdne vesinikiooni vastava väärtusega. Lisaks avastas ta, et katoodkiirekehade laengu ja massi suhe ei sõltu sellest, milline gaas on lahendustorus või mis materjalist elektroodid on valmistatud. Veelgi enam, sama e/m suhtega osakesi saab eraldada söest kuumutamisel ja metallidest ultraviolettkiirgusega kokkupuutel. Sellest järeldas ta, et „aatom ei ole aine jaguvuse lõplik piir; saame liikuda edasi - korpusklisse ja see korpuskulaarfaas on sama, olenemata päritoluallikast... Ilmselt on see kõigi aineliikide lahutamatu osa väga erinevates tingimustes, nii et tundub üsna loomulik pidada korpust üheks ehitusplokiks, millest aatom on ehitatud."

T. läks kaugemale ja pakkus välja aatomi mudeli, mis oli tema avastusega kooskõlas. 20. sajandi alguses. ta oletas, et aatom on hägune sfäär, mis kannab positiivset elektrilaengut ja milles on jaotunud negatiivselt laetud elektronid (nagu hakati lõpuks nimetama kehakesi). Kuigi see mudel asendati peagi Rutherfordi pakutud aatomi tuumamudeliga, oli sellel tolle aja teadlastele väärtuslikke omadusi, mis stimuleerisid nende otsinguid.

T. sai 1906. aastal Nobeli füüsikaauhinna, "tunnustades tema silmapaistvaid saavutusi gaaside elektrijuhtivuse teoreetiliste ja eksperimentaalsete uuringute alal". Laureaadi üleandmise tseremoonial J.P. Rootsi Kuningliku Teaduste Akadeemia liige Klason õnnitles T.-d selle puhul, et ta "kinkis maailmale mitu suurt teost, mis võimaldavad meie aja loodusfilosoofil teha uusi uurimistöid uutes suundades". Näidates, et aatom pole mateeria viimane jagamatu osake, nagu kaua arvati, avas T. tegelikult ukse füüsikateaduse uude ajastusse.

Aastatel 1906–1914 T. alustas oma teist ja viimast suuremat eksperimentaalse tegevuse perioodi. Ta uuris kanalikiiri, mis liiguvad lahendustorus katoodi poole. Kuigi Wilhelm Wien oli juba näidanud, et kanalikiired on positiivselt laetud osakeste voog, valgustasid T. ja tema kolleegid nende omadusi ning tuvastasid nendes kiirtes erinevat tüüpi aatomeid ja aatomirühmi. Oma katsetes demonstreeris T. täiesti uut viisi aatomite eraldamiseks, näidates, et mõned aatomi

rühmad nagu CH, CH2 ja CH3 võivad eksisteerida, kuigi tavatingimustes on nende olemasolu ebastabiilne. Samuti on oluline, et ta suutis avastada, et inertgaasi neooni proovid sisaldasid kahe erineva aatommassiga aatomeid. Nende isotoopide avastamine mängis olulist rolli raskete radioaktiivsete elementide, nagu raadium ja uraan, olemuse mõistmisel.

Esimese maailmasõja ajal töötas T. Uurimis- ja Leiutamisbüroos ning oli valitsuse nõunik. 1918. aastal sai temast Trinity kolledži juht. Aasta hiljem sai Rutherford tema asemel eksperimentaalfüüsika professori ja Cavendishi labori direktori ametikoha.

Pärast 1919. aastat piirdus T. tegevus Trinity College’i juhataja ülesannete täitmise, täiendava uurimistööga Cavendishi laboris ja tulusate rahainvesteeringutega. Talle meeldis aiatöö ja ta käis sageli pikkadel jalutuskäikudel ebatavalisi taimi otsimas.

Thomson abiellus 1890. aastal Rose Pagetiga; neil sündisid poeg ja tütar. Tema poeg J.P. Thomson, sai Nobeli füüsikaauhinna 1937. aastal. T. suri 30. augustil 1940 ja maeti Londoni Westminster Abbeysse.

T. ei mõjutanud füüsikat mitte ainult oma hiilgavate eksperimentaaluuringute tulemustega, vaid ka suurepärase õpetaja ja Cavendishi labori suurepärase juhina. Nendest omadustest köitetuna valisid sajad kõige andekamad noored füüsikud üle kogu maailma Cambridge'i oma õppekohaks. Nendest, kes töötasid Cavendishis T. juhtimisel, said seitse omal ajal Nobeli preemia laureaadiks.

Lisaks Nobeli preemiale pälvis T. palju muid auhindu, sealhulgas Royal (1894), Hughesi (1902) ja Copley (1914) medalid, mida annab välja Londoni Kuninglik Selts. Ta oli 1915. aastal Londoni Kuningliku Seltsi president ja 1908. aastal aadlistati.

1897. aastal avastas Briti füüsik Joseph John Thomson (1856-1940) elektroni pärast mitmeid katseid, mille eesmärk oli uurida elektrilahenduse olemust vaakumis. Kuulus teadlane tõlgendas elektriliselt laetud plaatide ja magnetite kiirte kõrvalekaldeid tõendina, et elektronid on palju väiksemad kui aatomid.

Suurest füüsikust ja teadlasest pidi saama insener

Thomson Joseph John, suur ja mentor, oleks pidanud saama inseneriks, nii uskus tema isa, kuid sel ajal ei olnud perel vahendeid hariduse eest maksta. Selle asemel õppis noor Thomson kolledžis Machesteris ja hiljem Cambridge'is. Aastal 1884 määrati ta prestiižsele Cambridge'i eksperimentaalfüüsika professori ametikohale, kuigi ta tegi isiklikult väga vähe eksperimentaalset tööd. Ta avastas oma ande seadmete arendamisel ja sellega seotud probleemide diagnoosimisel. Thomson Joseph John oli hea õpetaja, inspireeris oma õpilasi ja pühendas märkimisväärset tähelepanu õppeteaduse arendamise laiale probleemile ülikoolis ja keskkoolis.

Nobeli preemia laureaat

Thomson pälvis palju erinevaid auhindu, sealhulgas 1906. aastal Nobeli füüsikaauhinna. Tal oli ka suur rõõm näha, et mõned tema lähedased kaastöötajad said Nobeli preemiaid, sealhulgas Rutherford keemia alal 1908. aastal. Mitmed teadlased, nagu William Prout ja Norman Lockyer, on väitnud, et aatomid ei ole universumi väikseimad osakesed ja et need on üles ehitatud fundamentaalsematest üksustest.

Elektroni avastamine (lühidalt)

1897. aastal tegi Thompson ettepaneku, et üks põhiühikutest on 1000 korda väiksem kui aatom, seda hakati nimetama elektroniks. Teadlane avastas selle katoodkiirte omadusi uurides. Ta hindas katoodkiirte massi, mõõtes soojuse üleminekul tekkivat soojust ja võrdles seda kiire magnetilise läbipaindega. Tema katsed ei näita mitte ainult seda, et katoodkiired on vesinikuaatomist 1000 korda kergemad, vaid ka seda, et nende mass oli olenemata aatomi tüübist sama. Teadlane jõudis järeldusele, et kiired koosnevad väga kergetest negatiivselt laetud osakestest, mis on aatomite universaalseks ehitusmaterjaliks. Ta nimetas neid osakesi "kehadeks", kuid hilisemad teadlased eelistasid nimetust "elektronid", mille pakkus välja George Johnston Stoney 1891. aastal.

Thompsoni katsed

Võrreldes katoodkiirte läbipainet elektri- ja magnetväljadega, sai füüsik usaldusväärsemad elektroni laengu ja massi mõõtmised. Thomsoni katse viidi läbi spetsiaalsetes elektronkiiretorudes. 1904. aastal püstitas ta hüpoteesi, et aatomimudel kujutab endast positiivse aine sfääri, milles osakeste asukoha määravad elektrostaatilised jõud. Aatomi üldiselt neutraalse laengu selgitamiseks pakkus Thompson, et korpusklid olid jaotunud ühtlases positiivse laengu väljas. Elektroni avastamine võimaldas arvata, et aatomit on võimalik jagada veelgi väiksemateks osadeks ning see oli esimene samm aatomi üksikasjaliku mudeli loomise suunas.

Avastamise ajalugu

Joseph John Thomsonit tuntakse laialdaselt elektroni avastajana. Professor tegeles suurema osa oma karjäärist gaaside kaudu elektrijuhtimise erinevate aspektidega. 1897. aastal (aastal, mil elektron avastati) tõestas ta eksperimentaalselt, et nn katoodkiired on tegelikult liikuvad negatiivselt laetud osakesed.

Paljud huvitavad küsimused on otseselt seotud avastamisprotsessiga. On selge, et katoodkiirte iseloomustamist oli uuritud juba enne Thomsonit ja mitmed teadlased olid juba andnud olulise panuse. Kas siis saab kindlalt väita, et just Thomson avastas elektroni esimesena? Lõppude lõpuks ei leiutanud ta vaakumtoru ega katoodkiirte olemasolu. Elektroni avastamine on puhtalt kumulatiivne protsess. Tunnustatud pioneer annab suure panuse, üldistades ja süstematiseerides kogu enne teda kogutud kogemusi.

Thomsoni elektronkiiretorud

Elektroni suur avastus tehti spetsiaalsete seadmete abil ja teatud tingimustel. Thomson viis läbi rea katseid, kasutades keerukat katoodkiiretoru, mis sisaldas kahte plaati, mille vahel liikusid kiired. Pikaajaline vaidlus katoodkiirte olemuse üle, mis tekivad siis, kui elektrivool läbib laeva, millest suurem osa õhust on evakueeritud, on peatatud.

See anum oli katoodkiiretoru. Täiustatud vaakummeetodit kasutades suutis Thomson esitada veenva argumendi, et need kiired koosnesid osakestest, sõltumata sellest, millist gaasi või juhina kasutatud metalli tüüpi. Thomsonit võib õigusega nimetada meheks, kes lõhestas aatomi.

Teaduslik erak? See ei puuduta Thomsonit

Oma aja silmapaistev füüsik ei olnud sugugi teaduslik erak, nagu sageli arvatakse hiilgavate teadlaste kohta. Ta oli ülieduka Cavendishi laboratooriumi haldusjuht. Seal kohtus teadlane Rose Elizabeth Pagetiga, kellega ta 1890. aastal abiellus.

Thomson ei juhtinud mitte ainult mitmeid uurimisprojekte, vaid rahastas ka laboratooriumide renoveerimist vähesel määral ülikooli ja kolledžite toetusega. Ta oli andekas õpetaja. Inimesed, keda ta aastatel 1895–1914 enda ümber kogus, tulid igast maailma otsast. Mõned neist said tema juhtimisel seitse Nobeli preemiat.

Töötades koos Thomsoniga Cavendishi laboris 1910. aastal, viis ta läbi uuringud, mis viisid sisemise tänapäevase mõistmiseni.

Thomson võttis oma õpetajatööd väga tõsiselt: ta pidas regulaarselt hommikuti algklassidele loenguid ja pärastlõunal õpetas magistrantidele loodusteadusi. Teadlane pidas doktriini uurijale kasulikuks, kuna see eeldab perioodilist põhiideede ülevaatamist ja samas ruumi jätmist võimalusele avastada midagi uut, millele varem polnud keegi tähelepanu pööranud. Elektroni avastamise ajalugu kinnitab seda selgelt. Thompson pühendas suurema osa oma teaduslikust tööst elektriliselt laetud vooluosakeste vaakumruumi läbimise uurimisele. Ta õppis katood- ja röntgenikiirgust ning andis tohutu panuse aatomifüüsika uurimisse. Lisaks töötas Thomson välja ka teooria elektronide liikumisest magnet- ja elektriväljas.

Joseph Thomson (1856-1940).

Inglise füüsik Joseph Thomson läks teaduse ajalukku inimesena, kes avastas elektroni. Ta ütles kord: „Avastamised on tingitud tähelepanelikkuse teravusest ja jõust, intuitsioonist ja vankumatust entusiasmist kuni kõigi pioneeritööga kaasnevate vastuolude lõpliku lahenemiseni.”

Joseph John Thomson sündis 18. detsembril 1856 Manchesteris. Siin Manchesteris lõpetas ta Owensi kolledži ja aastatel 1876-1880 õppis Cambridge'i ülikoolis kuulsas Püha Kolmainu kolledžis (Trinity College). Jaanuaris 1880 sooritas Thomson edukalt lõpueksamid ja asus tööle Cavendishi laborisse.

Tema esimene artikkel, mis avaldati 1880. aastal, oli pühendatud valguse elektromagnetilisele teooriale. Järgmisel aastal ilmus kaks artiklit, millest üks pani aluse elektromagnetilisele massiteooriale. Artikkel kandis nime "Elektrifitseeritud kehade liikumise tekitatud elektri- ja magnetefektid". See artikkel väljendab ideed, et "eeter väljaspool laetud keha on kogu massi, impulsi ja energia kandja". Kasvava kiirusega muutub välja iseloom, mille tõttu kogu see “välja” mass suureneb, jäädes kogu aeg proportsionaalseks energiaga.

Thomson oli kinnisideeks eksperimentaalfüüsikast selle sõna parimas tähenduses. Oma töös väsimatu, oli ta nii harjunud oma eesmärke iseseisvalt saavutama, et kurjad keeled rääkisid tema täielikust hoolimatusest autoriteedi vastu. Nad kinnitasid, et raamatute ja valmisteooriate poole pöördumise asemel eelistas ta iseseisvalt läbi mõelda kõik talle võõrad teadusliku laadi küsimused. See on aga selge liialdus...

Thomsoni teadussaavutusi hindas kõrgelt Cavendishi labori direktor Rayleigh. Kui ta 1884. aastal direktori ametist lahkus, ei kõhelnud ta Thomsonit oma järglaseks soovitamast. Josephi enda jaoks oli tema ametisse määramine üllatus.

Teadaolevalt pakkis üks Cavendishi laboris koolitanud Ameerika füüsikutest sellest kohtumisest teada, pakkis ta oma asjad kohe kokku. “Pole mõtet töötada sinust vaid kaks aastat vanema professori käe all...” ütles ta kodumaale purjetades. Noh, tal oli palju aega ees, et oma kiirustamist kahetseda.

Labori vanal direktoril oli selliseks valikuks kaalukad põhjused. Kõik, kes Tomsonit lähedalt tundsid, märkisid üksmeelselt tema pidevat heatahtlikkust ja meeldivat suhtlemisviisi koos aususega. Hiljem meenutasid õpilased, et nende juhile meeldis korrata Maxwelli sõnu, et kunagi ei tohiks inimest keelata tema kavandatud katset tegemast. Isegi kui ta ei leia seda, mida otsib, võib ta avastada midagi muud ja saada sellest rohkem kasu kui tuhat arutelu.

Nii eksisteerisid selles inimeses kõrvuti sellised erinevad omadused nagu sõltumatus oma hinnangutes ja sügav austus õpilase, töötaja või kolleegi arvamuse vastu. Ja võib-olla just need omadused tagasid talle edu Cavendishi juhina.

Thomson tuli oma uuele ametikohale avaldatud teostega, veendumusega materiaalse maailma ühtsuses ja paljude tulevikuplaanidega. Ja tema esimesed õnnestumised aitasid kaasa Cavendishi labori autoriteedile. Peagi kogunes siia grupp noori, kes olid pärit erinevatest riikidest. Kõik nad olid ühtviisi entusiastlikud ja valmis teaduse nimel igasuguseid ohverdusi tooma. Moodustati kool, tõeline teadusmeeskond inimestest, keda ühendasid ühised eesmärgid ja meetodid, mille eesotsas oli maailma autoriteet.

Aastatel 1884–1919, mil tema järglaseks sai Rutherford laboridirektorina, juhtis Thomson Cavendishi laborit. Selle aja jooksul sai sellest suur maailma füüsika keskus, rahvusvaheline füüsikute kool. Siin alustasid oma teaduskarjääri Rutherford, Bohr, Langevin ja paljud teised, sealhulgas Venemaa teadlased.

Elu lõpus oma mälestuste raamatut lõpetades loetleb Thomson oma endiste doktorantide hulgas 27 Kuningliku Seltsi liiget, 80 professorit, kes töötavad edukalt kolmeteistkümnes riigis. Tulemus on tõeliselt geniaalne.

Thomsoni uurimisprogramm oli lai: küsimused elektrivoolu gaaside kaudu liikumisest, metallide elektrooniline teooria, eri tüüpi kiirte olemuse uurimine...

Katoodkiirte uurimisega tegelema asunud, otsustas Thomson ennekõike kontrollida, kas tema eelkäijate katsed, kes saavutasid kiirte kõrvalekaldumise elektriväljadega, on tehtud piisavalt hoolikalt. Ta mõtleb välja korduskatse, kavandab selle jaoks spetsiaalse varustuse, jälgib tellimuse täitmise põhjalikkust ja oodatav tulemus on ilmne. Thomsoni disainitud torus tõmbasid katoodkiired kuulekalt positiivse laenguga plaadi poole ja tõrjusid selgelt negatiivsest ehk käitusid nii, nagu kohane negatiivse elektriga laetud kiirelt lendavate tillukeste kehakeste voolule. Suurepärane tulemus! Ta võiks kindlasti lõpetada kõik vaidlused katoodkiirte olemuse üle, kuid Thomson ei pidanud oma uurimistööd lõpetatuks. Olles määranud kvalitatiivselt kiirte olemuse, soovis ta anda neid moodustavatele korpusklitele täpse kvantitatiivse määratluse.

Esimesest edust inspireerituna kavandas ta uue toru: katood, kiirenduselektroodid rõngaste ja plaatide kujul, millele saab rakendada kõrvalekaldpinget. Katoodi vastas olevale seinale kandis ta õhukese kihi ainet, mis on võimeline sissetulevate osakeste mõjul hõõguma. Tulemuseks oli elektronkiiretorude esivanem, mis oli meile telerite ja radarite ajastul nii tuttav.

Thomsoni katse eesmärk oli suunata kehakeste kiir elektriväljaga kõrvale ja kompenseerida see läbipaine magnetväljaga. Järeldused, milleni ta katse tulemusena jõudis, olid hämmastavad. Esiteks selgus, et osakesed lendavad torus tohutu kiirusega, valguskiiruse lähedal. Ja teiseks, elektrilaeng kehakeste massiühiku kohta oli fantastiliselt suur. Mis osakesed need olid: tundmatud aatomid, mis kandsid tohutuid elektrilaenguid, või tühise massiga, kuid väiksema laenguga pisikesed osakesed?

Lisaks avastas ta, et erilaengu ja ühiku massi suhe on konstantne väärtus, mis ei sõltu osakeste kiirusest, katoodi materjalist ja gaasi laadist, milles tühjenemine toimub. Selline iseseisvus oli murettekitav. Tundub, et kehakesed olid mingid universaalsed aineosakesed, aatomite komponendid...

Juba ainuüksi sellele mõeldes oleks eelmise sajandi teadlane pidanud end rahutult tundma. Lõppude lõpuks tähendas sõna "aatom" ise "jagamatut". Tuhandeid aastaid, mis on möödunud Demokritose ajast, on aatomid olnud jaguvuse piiri sümbolid, mateeria diskreetsuse sümbolid. Ja äkki... Järsku selgub, et neil on ka komponendid?

Nõus, et siin oli palju segadust tunda. Tõsi, pühaduseteotuse õud segunes suurel määral rõõmuga suure avastuse ootuses...

Tomson hakkas arvutusi tegema. Kõigepealt oli vaja kindlaks määrata salapäraste kehakeste parameetrid ja siis oleks ehk võimalik otsustada, mis need on.

Teadlase õrn käekiri katab lõputute numbritega paberilehti. Ja siin nad on, arvutuste esimesed tulemused: pole kahtlustki, et tundmatud osakesed pole midagi muud kui väikseimad elektrilaengud, jagamatud elektriaatomid või elektronid. Neid teati teoreetiliselt ja nad said isegi nime, kuid ainult temal õnnestus nende olemasolu eksperimentaalselt avastada ja seeläbi lõpuks kinnitada.

Ja ta tegi seda – kangekaelne inglise eksperimentaalfüüsik professor Joseph John Thomson, keda tema õpilased ja kolleegid selja taga kutsusid lihtsalt Ji-Giks.

29. aprillil 1897, ruumis, kus Londoni Kuningliku Seltsi koosolekud olid toimunud rohkem kui kakssada aastat, kavandati tema aruanne. Suurem osa kohalviibijatest on numbri ajalooga hästi kursis. Paljud inimesed püüdsid ise lahendada katoodkiirte olemuse probleeme. Kõneleja nimi lubas huvitavat sõnumit.

Ja siin on Thomson poodiumil. Ta on pikk, kõhn ja kannab traatraamiga prille. Ta räägib enesekindlalt ja valjult. Saatejuhi abid valmistavad kohe kohalolijate silme all ette näidiseksperimendi. Tõepoolest, juhtus kõik, mida pikk prillidega härrasmees rääkis. Katoodkiired torus kaldusid kuulekalt kõrvale ning neid tõmbasid magnet- ja elektriväljad. Veelgi enam, need kaldusid kõrvale ja tõmbasid ligi täpselt nii, nagu nad oleks pidanud olema, kui eeldame, et need koosnesid pisikestest negatiivselt laetud osakestest...

Kuulajad olid rõõmsad. Nad katkestasid raporti korduvalt aplausiga. Finaal ületas kõik ootused. Sellist triumfi pole see iidne saal ilmselt kunagi näinud. Kuningliku seltsi auväärsed liikmed hüppasid oma kohalt püsti, kiirustasid demonstratsioonilaua juurde, olid rahvast täis, kätega vehkides ja karjudes ...

Kohalolijate rõõmu ei seletanud sugugi asjaolu, et kolleeg J. J. Thomson oli nii veenvalt paljastanud katoodkiirte tõelise olemuse. Olukord oli palju tõsisem. Aatomid, mateeria esmased ehitusplokid, lakkasid olemast elementaarsed ümmargused terad, läbitungimatud ja jagamatud osakesed, millel puudub igasugune sisemine struktuur... Kui neist võisid välja lennata negatiivselt laetud kehakesed, siis pidid aatomid olema mingi kompleksne süsteem, mis koosneb midagi laetud positiivset elektrit ja negatiivselt laetud osakestest - elektrone.

Nimest "elektron", mille Stoney pakkus kunagi välja väikseima elektrilaengu suurusjärgu tähistamiseks, sai jagamatu "elektri aatomi" nimi.

Nüüd on nähtavaks saanud kõige vajalikumad suunad edasisteks otsinguteks. Kõigepealt oli muidugi vaja täpselt määrata ühe elektroni laeng ja mass, mis võimaldaks selgitada kõikide elementide aatomite massid, arvutada molekulide massid, anda soovitusi reaktsioonide õigeks koostiseks. ... Aga mis ma oskan öelda, teadmine elektroni laengu täpsest väärtusest oli sama vajalik kui õhk ja Seetõttu võtsid paljud füüsikud selle määratluse põhjal kohe katsed ette.

1904. aastal avalikustas Thomson oma uue aatomimudeli. See oli ka positiivse elektriga ühtlaselt laetud kera, mille sees pöörlesid negatiivselt laetud kehakesed, mille arv ja asukoht sõltusid aatomi olemusest. Teadlane ei suutnud lahendada kera sees olevate kehakeste stabiilse paigutuse üldist probleemi ja ta otsustas konkreetse juhtumiga, kui korpusklid asuvad samal tasapinnal, mis läbib kera keskpunkti. Igas rõngas sooritasid kehakesed üsna keerukaid liigutusi, mida hüpoteesi autor seostas spektritega. Ja korpusklite jaotus kestarõngaste vahel vastas perioodilisuse tabeli vertikaalsetele veergudele.

Nad ütlevad, et kord palusid ajakirjanikud Gee-Gee'l selgelt selgitada, milline on tema aatomi struktuur.

"Oh, see on väga lihtne," vastas professor rahulikult, "tõenäoliselt on see midagi rosinapudingi taolist ...

Nii astus teaduse ajalukku Thomsoni aatom - positiivselt laetud "puding", mis oli täidetud negatiivsete "rosinate" - elektronidega.

Thomson ise oli hästi teadlik “rosinapudingi” struktuuri keerukusest. Teadlane jõudis väga lähedale järeldusele, et elektronide jaotuse olemus aatomis määrab selle koha elementide perioodilises tabelis, kuid jõudis ainult lähedale. Lõplik järeldus oli alles ees. Tema pakutud mudelis oli palju veel seletamatu. Keegi ei saanud näiteks aru, mis on aatomi positiivselt laetud mass ja kui palju elektrone peaks erinevate elementide aatomites sisalduma.

Thomson õpetas füüsikutele elektronide juhtimist ja see on tema peamine teene. Thomsoni meetodi väljatöötamine on elektronoptika, elektrontorude ja kaasaegsete laetud osakeste kiirendite aluseks. 1906. aastal pälvis Thomson Nobeli füüsikaauhinna elektri gaaside kaudu liikumise uurimise eest.

Thomson töötas välja ka meetodid positiivselt laetud osakeste uurimiseks. Tema 1913. aastal ilmunud monograafia "Positiivse elektrikiired" pani aluse massispektroskoopiale. Thomsoni tehnikat arendades ehitas tema õpilane Aston esimese massispektromeetri ja töötas välja meetodi isotoopide analüüsimiseks ja eraldamiseks. Thomsoni labor alustas esimesi elementaarlaengu mõõtmisi laetud pilve liikumise jälgimisest elektriväljas. Millikan täiustas seda meetodit veelgi ja viis tema nüüdseks klassikaliste elektroni laengu mõõtmiseni.

Cavendishi laboris alustas oma elu ka kuulus Wilsoni kamber, mille ehitas Thomsoni õpilane ja kaastööline Wilson 1911. aastal.

Seega on Tomsoni ja tema õpilaste roll aatomi- ja tuumafüüsika kujunemisel ja arendamisel väga suur. Kuid Thomson jäi eetri toetajaks oma elu lõpuni, arendades eetris liikumismudeleid, mille tulemuseks olid tema arvates jälgitavad nähtused. Seega tõlgendas ta katoodikiire läbipainet magnetväljas güroskoobi pretsessioonina, andes elektri- ja magnetvälja kombinatsioonile pöörlemismomendi.

Thomson suri 30. augustil 1940 Inglismaa jaoks raskel ajal, kui seda ähvardas natside sissetungi oht.

Joseph John Thomson

Joseph John Thomson
Foto saidilt http://www.krugosvet.ru/

Thomson Joseph John (1856-1940), teadusliku koolkonna asutaja, Londoni Kuningliku Seltsi liige (1884) ja president (1915-1920), Peterburi Teaduste Akadeemia väliskorrespondentliige (1913) ja välismaa aukirjandusliige NSVL Teaduste Akadeemia liige (1925). Cavendishi labori direktor (1884-1919). Uuris elektrivoolu läbimist läbi haruldaste gaaside. Avastas (1897) elektroni ja määras (1898) selle laengu. Pakuti välja (1903) üks esimesi aatomimudeleid. Üks metallide elektroonilise teooria loojaid. Nobeli preemia (1906).

THOMSON, JOSEPH JOHN (1856–1940), inglise füüsik, pälvis 1906. aasta Nobeli füüsikaauhinna elektroni avastamiseni viinud töö eest. Sündis 18. detsembril 1856 Manchesteri eeslinnas Cheetham Hillis. Ta astus Owensi kolledžisse (hiljem Manchesteri ülikool) ja jätkas haridusteed Cambridge'i ülikooli Trinity kolledžis. Aastast 1918 kuni oma elu lõpuni oli ta Trinity College'i rektor. Aastatel 1884–1919 oli Thomson Cambridge'i ülikooli professor ja samal ajal Cavendishi labori juhataja; 1905–1918 - Londoni Kuningliku Ühenduse professor.

Thomson on enim tuntud oma elektroni avastamisega seotud töö poolest: 1897. aastal avastas Thomson katoodkiirte kõrvalekaldumist magnet- ja elektriväljas uurides, et need on negatiivselt laetud osakeste voog. Ta mõõtis osakeste laengu ja massi suhet ja näitas, et need on 1837 korda kergemad kui vesinikuaatom. Aastal 1899 avastas ta fotovoolus elektronid ja jälgis termilise emissiooni mõju. Ta uuris elektrilahenduse iseärasusi gaasides ja andis selgituse röntgenkiirguse pideva spektri kohta.

Thomson on üks metallide elektroonilise teooria rajajaid (1900). Ta sai vabade elektronide poolt elektromagnetlainete hajumise efektiivse ristlõike avaldise (Thomsoni valem). 1903. aastal ehitas ta ühe esimestest aatomimudelitest, mis viitab sellele, et aatom on positiivselt laetud sfäär, millesse on põimitud elektronid. 1904. aastal pakkus Thomson välja idee, et elektronid moodustavad aatomis erinevaid konfiguratsioone, mis määravad keemiliste elementide perioodilisuse; sellega püüdis ta luua seost aatomi elektroonilise struktuuri ja selle keemiliste omaduste vahel.

Alates 1905. aastast alustas Thomson üksikasjaliku eksperimentaalse uuringuga nn. "Kanal" kiired - kiiresti liikuvad osakesed, mis moodustuvad gaaslahendustoru katoodi taga, millesse on tehtud auk. Suunates neid kiiri elektri- ja magnetväljas kõrvale, lagundas ta need komponentideks, mille hulk ja omadused sõltusid torus oleva gaasi koostisest. See töö andis aluse massispektromeetriale. 1911. aastal töötas Thomson välja paraboolmeetodi osakese massi ja selle laengu suhte mõõtmiseks, mis oli oluline isotoopide uurimisel. 1912. aastal sai ta esimesed andmed isotoopide olemasolu kohta – ta avastas neoonaatomid massiga 20 ja 22.

Ajal, mil Thomson seda juhtis, sai Cavendishi laborist juhtiv uurimiskeskus. Siin töötasid Thomsoni, F. Astoni, W. Wilsoni, E. Rutherfordi, W. Richardsoni jt eestvedamisel teaduslike saavutuste eest B. Franklini (1923), M. Faraday (1938) medalid. , Copley (1914) jne.

Kordustrükk saidilt http://www.krugosvet.ru/

Joseph John Thomson sündis 8. detsembril 1856 Manchesteris. Manchesteris lõpetas ta Owensi kolledži ja aastatel 1876-1880 õppis Cambridge'i ülikoolis Trinity College'is. Jaanuaris 1880 sooritas Thomson edukalt lõpueksamid ja asus tööle Cavendishi laborisse.

Thomsoni teadussaavutusi hindas kõrgelt Cavendishi labori direktor Rayleigh. Kui ta 1884. aastal direktori ametist lahkus, soovitas ta Tomsonit oma järglaseks.

Aastatel 1884–1919, mil tema järglaseks sai Rutherford laboridirektorina, juhtis Thomson Cavendishi laborit.

Pärast katoodkiirte uurimist otsustas Thomson kontrollida, kas tema eelkäijate katsed, kes saavutasid kiirte kõrvalekaldumise elektriväljadega, viidi läbi piisavalt hoolikalt. Thomsoni disainitud torus tõmbasid katoodkiired positiivselt laetud plaadile ja tõrjusid negatiivselt eemale ehk käitusid ootuspäraselt negatiivse elektriga laetud kiirelt lendavate pisikeste kehakeste voost. Olles määranud kvalitatiivselt kiirte olemuse, soovis ta anda neid moodustavatele korpusklitele täpse kvantitatiivse määratluse.

Seejärel kandis ta katoodi vastas olevale seinale õhukese kihi ainet, mis on võimeline sissetulevate osakeste mõjul hõõguma. Tulemuseks oli katoodkiiretorude esivanem.

Selgus, et osakesed lendavad torus tohutu kiirusega, valguse kiiruse lähedal. Ja elektrilaeng kehamassiühiku kohta oli tohutu. Lisaks avastas ta, et erilaengu ja ühiku massi suhe on konstantne väärtus, mis ei sõltu osakeste kiirusest, katoodi materjalist ja gaasi laadist, milles tühjenemine toimub. Sõna "aatom" ise tähendas "jagamatut". Tuhandeid aastaid, mis on möödunud Demokritose ajast, on aatomid olnud jaguvuse piiri sümbolid, mateeria diskreetsuse sümbolid.

Arvutuste tulemusena tegi Thomson kindlaks, et osakesed pole muud kui pisikesed elektrilaengud, jagamatud elektriaatomid või elektronid.

29. aprillil 1897 andis ta ruumis, kus Londoni Kuningliku Seltsi koosolekuid peeti rohkem kui kakssada aastat, oma avastusest ettekande.

Nimest "elektron", mille Stoney pakkus kunagi välja väikseima elektrilaengu suurusjärgu tähistamiseks, sai jagamatu "elektri aatomi" nimi.

Kordustrükk saidilt http://100top.ru/encyclopedia/