Джозеф Джон Томсон

Джозеф Джон Томсон (англ. Joseph John Thomson; 18 декабря 1856, Читем-Хилл, Манчестер — 30 августа 1940, Кембридж) — британский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Наиболее известен открытием электрона — первой элементарной частицы, а также разработкой первой модели строения атома («пудинг с изюмом»). Внёс значительный вклад в развитие масс-спектрометрии, открыв изотопы стабильных элементов.

Биография

Ранние годы и образование

Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в пригороде Манчестера Читем-Хилл в семье книготорговца и издателя. С детства проявлял интерес к естественным наукам. В 14 лет поступил в Оуэнс-колледж (ныне Манчестерский университет), где изучал инженерное дело, математику и физику. В 1876 году получил стипендию для обучения в Тринити-колледже Кембриджского университета. В 1880 году окончил его с отличием, заняв второе место на математическом экзамене (Tripos), и начал исследовательскую работу в Кавендишской лаборатории.

Научная карьера

В 1884 году, в возрасте 27 лет, Томсон был назначен профессором экспериментальной физики и директором Кавендишской лаборатории, сменив на этом посту лорда Рэлея. Он руководил лабораторией до 1919 года, превратив её в один из ведущих мировых центров физических исследований. Под его руководством в лаборатории работали будущие нобелевские лауреаты, включая Эрнеста Резерфорда, Чарльза Вильсона и Фрэнсиса Астона.

В 1918 году Томсон стал магистром (ректором) Тринити-колледжа, сохранив эту должность до конца жизни. Он продолжал активные исследования до середины 1930-х годов.

Личная жизнь и смерть

В 1890 году Томсон женился на Роуз Элизабет Пэджет, дочери профессора физики. У них родились двое детей: сын Джордж Пэджет Томсон (впоследствии также стал физиком и лауреатом Нобелевской премии) и дочь Джоан. Томсон скончался 30 августа 1940 года в Кембридже в возрасте 83 лет. Похоронен в Вестминстерском аббатстве рядом с Исааком Ньютоном и другими выдающимися учёными.

Научные достижения

Открытие электрона

Главным научным достижением Томсона стало экспериментальное открытие электрона в 1897 году. До этого существовала гипотеза о том, что атомы неделимы, однако наблюдения катодных лучей (потоков, возникающих в вакуумных трубках при высоком напряжении) указывали на существование более мелких частиц.

Томсон провёл серию экспериментов с катодно-лучевыми трубками. Он показал, что лучи отклоняются электрическим и магнитным полями, что доказывало их электрическую природу. Измерив отношение заряда к массе (e/m) для частиц катодных лучей, Томсон обнаружил, что оно примерно в 1800 раз больше, чем для иона водорода. Это означало, что масса частицы значительно меньше массы атома. Он назвал эти частицы «корпускулами»; впоследствии за ними закрепилось название «электроны», предложенное Джорджем Стони.

Томсон также определил, что электроны являются универсальными составляющими всех атомов, независимо от материала катода. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 году с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы».

Модель атома «пудинг с изюмом»

На основе открытия электрона Томсон в 1904 году предложил первую модель строения атома, известную как «пудинг с изюмом» (или «кекс с изюмом»). Согласно этой модели:

• Атом представляет собой сферу, равномерно заполненную положительно заряженным веществом («тесто»).
• Отрицательно заряженные электроны («изюм») вкраплены внутрь этой сферы.
• Суммарный положительный заряд уравновешивает отрицательный заряд электронов, поэтому атом в целом электрически нейтрален.

Эта модель объясняла некоторые свойства атомов, но была опровергнута в 1911 году Эрнестом Резерфордом в ходе экспериментов по рассеянию альфа-частиц на золотой фольге, которые привели к созданию планетарной модели атома.

Развитие масс-спектрометрии и открытие изотопов

В 1912 году Томсон, исследуя каналовые лучи (потоки положительных ионов), разработал метод разделения ионов по отношению массы к заряду. Он создал прибор, названный масс-спектрографом, который позволял анализировать состав газов. С помощью этого прибора Томсон впервые обнаружил, что неон состоит из двух типов атомов с разными массами (20 и 22), но одинаковыми химическими свойствами. Это открытие положило начало изучению изотопов — атомов одного химического элемента с разным числом нейтронов. Работа была продолжена его ассистентом Фрэнсисом Астоном, который позже получил Нобелевскую премию за открытие большого числа изотопов.

Другие исследования

Помимо открытия электрона и изотопов, Томсон внёс вклад в изучение:

• Электропроводности газов: Детально исследовал процессы ионизации и рекомбинации в газах.
• Фотоэффекта: Провёл ранние эксперименты, предшествовавшие работам Филиппа Ленарда и Альберта Эйнштейна.
• Рентгеновского излучения: Изучал взаимодействие катодных лучей с веществом, приводящее к возникновению рентгеновских лучей.

Награды и признание

• Нобелевская премия по физике (1906).
• Рыцарское звание (1908).
• Орден «За заслуги» (1912).
• Медаль Копли Лондонского королевского общества (1914).
• Президент Лондонского королевского общества (1915–1920).
• Медаль Франклина (1922).

В его честь названы кратер на Луне, единица измерения отношения заряда к массе (томсон, 1 Th = 1 Да/эВ) и премия Института физики (Великобритания).

Критика и наследие

Модель атома Томсона была отвергнута после экспериментов Резерфорда, однако его методология и экспериментальные подходы заложили основы современной физики элементарных частиц. Томсон считается одним из отцов-основателей атомной физики. Его открытие электрона стало первым шагом к пониманию структуры материи и развитию квантовой механики.

Интересные факты

• Сын Джозефа Джона Томсона, Джордж Пэджет Томсон, также получил Нобелевскую премию по физике в 1937 году за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.
• Томсон был наставником семи будущих нобелевских лауреатов, работавших в Кавендишской лаборатории.
• Он отказался от предложения занять пост премьер-министра Великобритании, предпочтя научную карьеру.

Источники

• Thomson, J. J. (1897). «Cathode Rays». Philosophical Magazine.
• Thomson, J. J. (1904). «On the Structure of the Atom». Philosophical Magazine.
• Thomson, J. J. (1913). «Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analyses».
• Nobel Lectures, Physics 1901–1921. Elsevier Publishing Company, 1967.
• Falconer, I. (1987). «J.J. Thomson and the Discovery of the Electron». Physics Education.