Sir Joseph John Thomson ( angl. Joseph John Thomson ; 18. prosince 1856 – 30. srpna 1940 ) – anglický fyzik , nositel Nobelovy ceny za fyziku z roku 1906 se zněním „za výzkum průchodu elektřiny plyny“.
Jeho nejvýznamnější výzkumy jsou [1] :
Člen (1884) a prezident (1915-1920) Royal Society of London [2] , zahraniční člen Pařížské akademie věd (1919; dopisovatel od roku 1911) [3] , zahraniční korespondent Petrohradské akademie hl. věd (1913) a čestný člen Ruské akademie věd (1925) [4] .
Joseph John Thomson se narodil 18. prosince 1856 v Cheetham Hill poblíž Manchesteru Josephu Jamesi Thomsonovi a jeho manželce, rozené Emmě Swindellt. Jeho otec byl rodilý Skot a vedl rodinnou firmu vydávání a prodeje knih v Manchesteru. Na naléhání svého otce se vyučil ve strojírenské firmě, ale kvůli potížím s hledáním práce byl dočasně poslán na Owens College v Manchesteru. Thomson považoval tento víceméně náhodný soubor okolností za zlom ve svém životě. Během svého působení na Owens College byl ovlivněn fyzikem Balfourem Stewartem , inženýrem Osborne Reynoldsem a matematikem Thomasem Barkerem [5] .
Jeho matematické a vědecké schopnosti byly brzy zaznamenány, Balfour Stewart ho zapojil do různých fyzikálních studií a nakonec publikoval krátký článek „Experimenty on kontaktní elektřiny mezi nevodiči“ [6] v Transactions of the Royal Society . Během studií na Owens College se seznámil s Arthurem Schusterem a Johnem Henrym Poyntingem , se kterými se stal celoživotním přátelstvím.
Na Barkerovu radu opustil myšlenku kariéry v inženýrství a v říjnu 1876 nastoupil na Trinity College v Cambridge , kde v roce 1880 získal bakalářský titul . Poté svůj život strávil téměř celý v Cambridge, s výjimkou několika krátkých výletů do Ameriky . Jeho matematické vzdělání v Cambridge bylo z velké části pod vedením E. J. Roota . Thomson se tehdy ani v pozdějších dobách nedostal pod osobní vliv Jamese Clerka Maxwella .
Po získání bakalářského titulu se stal spolupracovníkem Trinity College a zahájil výzkum v matematické a experimentální fyzice. Jeho raná matematická práce spočívala ve vývoji elektromagnetické teorie a aplikaci Lagrangeových dynamických metod na problémy v matematice a fyzice. Tyto studie vedené Lordem Rayleighem byly následně shrnuty v knize „Application of Dynamics to Physics and Chemistry“ [7] , ale jím získané výsledky během tohoto období neobstály ve zkoušce času.
Po odchodu lorda Rayleigha do důchodu jako profesora Cavendishe v Cambridge na konci roku 1884 byl Thomson vybrán, aby ho nahradil. Navzdory svému mládí (Thomsonovi bylo v té době asi 27 let) se ukázal jako schopný vůdce Cavendish Laboratory . Sám byl průměrným experimentátorem a měl poměrně slabé znalosti mechanických procesů, ale přesto jeho vynikající schopnosti a přirozená vynalézavost tyto nedostatky výrazně převážily.
V roce 1890 se oženil s Rose Pagetovou , dcerou sira George Pageta . Jeho dětmi z tohoto manželství byli George Paget Thomson (1892–1975), pozdější profesor fyziky a v roce 1937 nositel Nobelovy ceny za fyziku za objev elektronové difrakce krystaly , a slečna Joan Thomsonová .
Následující desetiletí práce ve funkci vedoucího Cavendish Laboratory v Cambridge byla nejproduktivnější v jeho životě. Do tohoto období tedy spadá veškerý Thomsonův výzkum průchodu elektřiny plyny, za který mu byla v roce 1906 udělena Nobelova cena za fyziku .
Ke konci války, v roce 1918 , se smrtí Dr. G. Montagu Butlera, se uvolnil post vedoucího Trinity College v Cambridge, který Thomsonovi nabídl Lloyd George . Zároveň si udržel Cavendishovo profesuru až do konce války, kdy ho v této funkci vystřídal jeho student Rutherford . Přesto pokračoval v práci v Cavendishově laboratoři ještě několik let, ale další výzkumy se ukázaly jako nesrovnatelné co do významu s těmi předválečnými.
V letech 1914 až 1916 byl Joseph John Thomson prezidentem London Society of Physicists . [osm]
V roce 1915 se stal prezidentem Královské společnosti v Londýně , po Siru Williamu Crookesovi , tuto funkci zastával až do roku 1920 . Podle memoárů jeho současníků byl vždy připraven k diskusi na schůzích společnosti, i když článek nepatřil do oblasti jeho vědeckých zájmů, což vylučovalo možnost povrchních úvah. Ochota k dialogu a osobní stimulace spolu s autoritou ve vědecké oblasti z něj učinily cenného vědce a zdroj inspirace pro mnoho badatelů.
Od roku 1921 do roku 1923 působil J. J. Thomson jako prezident Fyzikálního institutu .
Thomson zemřel v Cambridge 30. srpna 1940 ve věku 83 let. [jeden]
Jeho raný výzkum výboje elektřiny prostřednictvím plynů byl velmi pestrý. Hledal výchozí bod, ze kterého by mohl začít adekvátní teoretické zdůvodnění velkého množství získaných experimentálních dat.
Hlavní obtíž výzkumu v této oblasti byla spojena s přítomností kovových elektrod a Thomson se domníval, že pokud by byl elektrický výboj získán bez použití elektrod (a tedy bez vedlejších procesů probíhajících na kontaktním povrchu elektrod s plynem ), pak by takový experiment mohl být výchozím bodem pro vysvětlení tohoto jevu. Tato úvaha byla základem pro studium bezelektrodového výboje. Tyto studie poskytly důležitou experimentální metodu, která byla používána v různých směrech, zejména pro studium dosvitu v plynech a různé spektrální studie, nicméně jako metoda pro studium mechanismu výboje se ukázala jako v podstatě nepoužitelná. nespojitý charakter indukovaného výboje, který ztěžuje kvantitativní měření. Thomson strávil spoustu času studiem elektrolýzy páry a určováním zdánlivé rychlosti, kterou se záře šíří podél dlouhé vakuové trubice. I tyto studie však zaostaly za očekáváním. Thomsonovo nejplodnější období výzkumu elektrického výboje začalo objevem rentgenových paprsků v roce 1896 .
Při experimentování s tím Thomson brzy zjistil, že plyny vystavené rentgenovému záření začínají přenášet elektřinu pod vlivem malého použitého napětí . Tento typ vedení byl zřetelně odlišný od toho, který se odehrával při průchodu jiskry , protože jiskra vždy vyžaduje napětí alespoň 300 voltů za nejpříznivějších podmínek, zatímco vedení pod vlivem rentgenového záření je pozorováno při mnohem nižší napětí. Objev tohoto typu vedení byl učiněn současně v jiných laboratořích, ale jeho mechanismus byl odhalen v Cavendishově laboratoři. Thomson a Rutherford publikovali důležitou práci [9] , ve které bylo ukázáno, že funkcí rentgenového záření je uvolňovat nabité ionty z plynu pohybujícího se pod aplikovaným napětím a vytvářet tak nosiče náboje. Pokud by bylo záření vypnuto, tyto ionty by se rekombinovaly a vytvořily neutrální molekuly . Na druhé straně v přítomnosti rentgenového záření závisel procházející proud na přiloženém napětí. Pokud byl malý, ionty se pohybovaly pomalu, překonávaly odpor okolního vzduchu a protékal jen malý proud a většina vzniklých iontů byla vybita rekombinací. Pokud bylo použité napětí významné, pohyb iontů byl tak rychlý, že se nestihly rekombinovat, než dosáhly elektrod. V tomto případě se všechny ionty vzniklé působením záření podílely na přenosu náboje a nebyly spotřebovány v důsledku rekombinace a výsledný proud dosáhl maximální hodnoty a další zvýšení napětí za těchto podmínek jej nemohlo zvýšit. . Tento maximální proud nazval Thomson „saturační proud“ a stále nese toto jméno. Jak se vzdálenost mezi elektrodami zvětšovala, zvyšoval se i saturační proud. Toto chování neodpovídalo údajům o elektrické vodivosti kovů nebo roztoků elektrolytů a představovalo přesvědčivý důkaz o správnosti interpretace tohoto jevu.
Krátce nato další členové laboratoře, včetně Rutherforda a Zelenyho , zjistili absolutní rychlost iontů ve vzduchu při působení potenciálového gradientu , který se podle očekávání ukázal být úměrný použitému napětí.
Po vysvětlení mechanismu výboje plynu při rentgenovém ozáření se Thomson obrátil k bližšímu studiu povahy katodových paprsků . Tato otázka ho zaměstnávala mnoho let a vždy se přikláněl k názoru obhajovanému Varleyem a Crookesem , že tyto paprsky sestávají ze záporně nabitých částic vycházejících z katody , na rozdíl od názoru německých fyziků Goldsteina , Hertze . a Lenard , kteří se domnívali, že jsou to vlny procházející éterem. Thomson byl ovlivněn především tím, že tyto paprsky byly vychylovány v magnetickém poli ve směru příčném k jejich pohybu. Nikdy před tím okamžikem nepochyboval o tom, že nabité částice jsou molekuly nebo atomy . Když vyčíslil magnetickou výchylku, začal pochybovat, zda je takový pohled spolehlivý, protože výchylka byla podstatně větší, než tato hypotéza předpovídala. Někteří z výše uvedených badatelů hledali elektrostatické vychylování katodových paprsků, ale nenašli je za žádných stejně jednoduchých podmínek. Thomson byl nakloněn si myslet, že neúspěch těchto experimentů byl kvůli vodivosti zbytkového plynu, a tím, že pracuje pod velmi vysokým vakuem , on byl schopný získat elektrostatickou odchylku. Kombinací údajů o elektrostatické a magnetické výchylce se mu podařilo získat rychlost částic v paprscích a poměr jejich náboje k hmotnosti. Tato hodnota se ukázala být odlišnou hodnotou od hodnoty nalezené pro atomy vodíku během elektrolýzy . Za předpokladu, že náboj byl v obou případech stejný, vyplynulo z experimentálních dat, že hmotnost částic katodového paprsku byla velmi malá ve srovnání s hmotností atomu vodíku. Thomson tuto hodnotu poměru hmoty k náboji zhruba potvrdil kalorimetrickým měřením energie přenášené paprsky současně s nábojem jimi přenášeným. Tehdy si ještě nebyl jistý rovností nábojů katodových částic a atomů vodíku při elektrolýze.
Dalším krokem bylo stanovení absolutní hodnoty náboje iontů získaných ve vzduchu pod vlivem rentgenového záření. Udělal to pomocí objevu C. T. R. Wilsona, že tyto ionty mohou fungovat jako kondenzační centra pro kapičky kapaliny. Bylo možné vytvořit oblak obsahující známé množství vodní páry a počet kapek rovný počtu iontů. Z rychlosti usazování kapiček bylo možné vypočítat velikost kapiček a jejich počet a určit tak počet vzniklých iontů. Při znalosti jejich celkového náboje bylo možné určit náboj jednoho iontu, který se rovnal 6,5· 10 −10 Fr. Vezmeme-li hodnotu absolutní hmotnosti atomu vodíku z kinetické teorie , ukázalo se jako pravděpodobné, že hodnota náboje iontu byla rovna náboji atomu vodíku při elektrolýze.
Do této doby nebyl proveden žádný experiment, ve kterém by bylo možné současně určit jak náboj, tak poměr hmotnosti k náboji částice katodového záření. Thomson viděl možnost současného stanovení těchto množství pro částice, které odnášejí negativní náboj, když ultrafialové záření zasáhne zinek . Vyvinul metodu pro stanovení poměru hmoty k náboji pro ně a náboje jedné částice metodou kapkové kondenzace. Účelem experimentu bylo jednoznačně ukázat, že tyto částice mají hmotnost v řádu jedné tisíciny vodíku a náboj stejný jako atom vodíku při elektrolýze. Thomson v raných publikacích nazval tyto částice corpuscles , pak začal používat slovo „ elektron “, které dříve používal George Johnston Stoney v mnohem méně specifickém případě.
Thomson dále podrobně rozvinul koncept elektronů jako částic, které tvoří atom . Ze závěru Barkleho experimentu na rozptylu rentgenových paprsků vzduchem a jinými plyny určil, že počet elektronů v atomu závisí na atomové hmotnosti. Thomson navrhl model atomu [10] , který se skládá z kladně nabité koule, ve které jsou elektrony ve stabilní statické rovnováze s jejich vzájemným odpuzováním a přitahováním ke kladně nabité kouli, a byl schopen ukázat, že takový model by měl periodické vlastnosti, pokud byly elektrony shromažďovány v postupných kruzích, jak se jejich počet zvyšuje. Thomsonův model dal v podstatě stejný základ pro periodický zákon jako pokročilejší modely založené na atomovém jádře, které Bohr odvodil ze spektrálních dat. Thomson později přišel s konceptem kovového vedení ve smyslu pohybu volných elektronů v kovu. [jedenáct]
Další velké období Thomsonovy experimentální činnosti v letech 1906-1914 je spojeno s prací na fenoménu kladně nabitých (anodových) paprsků. Pozitivně nabité paprsky objevil Goldstein při výboji trubic s otvorem v katodě při nízkém tlaku. Prošli v bezsilovém prostoru za katodou. V. Win ukázal, že tyto paprsky jsou korpuskulární povahy a nesou kladný náboj. Později zjistil, že tyto částice mají atomové rozměry.
Když se Thomson obrátil k tomuto tématu, nikomu se ještě nepodařilo oddělit různé typy atomů, které by mohly být zastoupeny v těchto paprscích, a to byl jeho velký úspěch. Thomsonova metoda spočívala v použití jak magnetického , tak elektrostatického pole , které dávalo odchylky podél kolmých souřadnic . Paprsky byly fixovány na fotografickou desku a souřadnice naměřené ze snímku poskytly samostatné magnetické a elektrostatické odchylky.
Thomson zjistil, že je důležité provádět tyto experimenty při co nejnižším tlaku plynu, aby se zabránilo sekundárnímu procesu spojenému se ziskem nebo ztrátou náboje pohybujícími se částicemi. Při provádění experimentu za těchto podmínek bylo zjištěno, že obraz získaný na fluorescenčním stínítku nebo fotografické desce je řadou parabol se společným vrcholem v bodě nulové výchylky a osami rovnoběžnými se směrem elektrostatické výchylky. Každá z těchto parabol odpovídala jednomu typu atomu nebo atomové skupiny se specifickým nábojem a každý bod na křivce odpovídal jiné rychlosti částic . Byla tak prokázána přítomnost velkého množství atomů a atomových skupin ve výbojové trubici, jejichž povahu bylo možné určit podle hodnoty souřadnic na obrázku při znalosti hodnot elektrostatických a magnetických polí. Byla také vyvinuta zásadně nová metoda chemické analýzy a obecné potvrzení získaných výsledků bylo dáno chemickými metodami. Tato metoda se nazývá " hmotnostní spektrometrie ". Bylo například ukázáno, že atom rtuti může přijmout jiný náboj, stejný v modulu od jednoho do sedmi elektronových nábojů. Dalším velmi důležitým výsledkem byla skutečnost, že neon v tomto experimentu ukázal dvě různé paraboly, z nichž jedna odkazovala na atomovou hmotnost 20 a druhá na atomovou hmotnost 22. To byl první důkaz existence stabilních neradioaktivních izotopů . V těchto experimentech Thomsonovi pomáhal Dr. F. W. Aston , který tyto myšlenky dále rozvíjel nezávisle a v roce 1922 obdržel Nobelovu cenu za chemii za svůj výzkum v hmotnostní spektrometrii.
Zatímco Thomson sloužil jako Cavendish profesor a vedoucí Cavendish Physical Laboratory v Cambridge , dosáhl úspěchu ve vytvoření jedinečné experimentální školy. V této době pod jeho vedením souběžně pracovalo až 40 badatelů, mezi kterými byli poměrně často profesoři z amerických i kontinentálních univerzit. V důsledku toho bylo velké množství profesur fyziky v anglicky mluvících zemích obsazeno v různých dobách jeho bývalými studenty.
To bylo značně usnadněno skutečností, že během Thomsonova působení ve funkci profesora Cavendishe na univerzitě v Cambridge se objevilo schéma, které umožňovalo absolventům jiných univerzit získat cambridgeský diplom prostřednictvím výzkumné práce na dva roky. Toto schéma nebylo vyvinuto se zvláštním zaměřením na vědu obecně nebo konkrétně na fyziku, ale ukázalo se, že je obzvláště žádané ve zdech Cavendish Laboratory. Thomsonovy publikace, a zejména jeho „Nedávné výzkumy elektřiny a magnetismu“ [12] , vydané v roce 1893 jako doplněk k pojednání Jamese Clerka Maxwella , rozšířily jeho slávu široce, což přilákalo mnoho talentovaných vědců z koloniálních i zahraničních univerzit do Cavendishova laboratoř. Byli mezi nimi E. Rutherford z Wellington College , Nový Zéland , J. S. Townsend z Trinity College v Dublinu , J. A. McClellaland z University of Dublin , J. C. McLennan z Toronta , P. Langevin z Paříže a několik dalších. Kromě toho mezi nimi byli C. T. R. Wilson, W. C. D. Wetham (později Dampier ) a další, kteří byli ve zkušební době v Cambridge .
Během první světové války , v letech 1914-1918, se Thomson zabýval především poradenskou a provizní prací v Radě pro vynálezy a výzkum pod vedením lorda Fishera , jejímž byl členem. Tato práce a možnosti, které mu poskytla ke kontaktu s širším okruhem kolegů než dříve, ho velmi zaujaly.
Pokračoval v práci na získávání nových výzkumníků jako vedoucí Trinity College , kde působil až do konce svého života.
Během studií na Cambridge se nevěnoval sportu, i když tehdy i později projevoval velký zájem o úspěchy ostatních. Jako vedoucí Trinity College se také zajímal o soutěžní sporty a nic nemohlo být uspokojivější než vidět dobrý fotbalový zápas nebo sledovat veslařský tým Trinity na řece. Bylo to vidět i na menších závodech. Upřímně se radoval z pozvání na neformální studentskou večeři a zdálo se mu, že to přináší více radosti než mnohé ze slavnostních událostí, kterých se musel kvůli svému postavení zúčastnit.
Joseph John Thomson nemluvil žádným cizím jazykem a odmítal jakýkoli pokus mluvit dokonce i francouzsky, přičemž se zcela spoléhal na svou ženu jako tlumočníka. Přestože uměl plynně francouzsky a německy, nikdy těmito jazyky nepsal ani nemluvil. Plynně esperanto.
Jako předseda rady Trinity College nikdy neztratil chladnou hlavu v politických sporech, a to i přes někdy hrubé poznámky lidí, kteří zastávali názory odlišné od jeho vlastních. Věřil, že takové prohřešky je nejlepší ignorovat, a tak rychle zapomenout.
Thomson měl pozoruhodnou schopnost finanční aktivity a nenápadným způsobem řídil své investice tak úspěšně, že dokázal nashromáždit slušné jmění, počínaje extrémně malým kapitálem. Tato stránka jeho práce je většinou mnohem méně známá, přestože se vždy zajímal o principy fungování jak malých podniků, tak velkých finančních systémů.
Podle vzpomínek svých současníků byl nadšeným zahradníkem a projevoval velký zájem o výběr rostlin a cibulovin pro svou zahradu, i když s tím nevynakládal mnoho fyzické námahy. [jeden]
Joseph John Thomson byl členem mnoha vědeckých společností, včetně Royal Society of London a Institute of France , a také příjemcem mnoha cen a ocenění, mezi nimiž jsou následující:
V roce 1970 pojmenovala Mezinárodní astronomická unie kráter na odvrácené straně Měsíce po Josephu Johnu Thomsonovi .
Tematické stránky | ||||
---|---|---|---|---|
Slovníky a encyklopedie | ||||
Genealogie a nekropole | ||||
|
Nositelé Nobelovy ceny za fyziku v letech 1901-1925 | |
---|---|
| |
|
ceny v roce 1906 | nositelé Nobelovy|
---|---|
Fyziologie nebo lékařství | Camillo Golgi ( Itálie ) Santiago Ramon y Cajal ( Španělsko ) |
Fyzika | Joseph John Thomson ( GBR ) |
Chemie | Henri Moissan ( Francie ) |
Literatura | Giosue Carducci ( Itálie ) |
Svět | Theodore Roosevelt ( USA ) |