J. J. Thomson (Français)

OverviewEdit

Le 22 décembre 1884, Thomson est nommé professeur Cavendish de physique à L’Université de Cambridge. La nomination a causé une surprise considérable, étant donné que des candidats tels que Osborne Reynolds ou Richard Glazebrook étaient plus âgés et plus expérimentés dans le travail de laboratoire. Thomson était connu pour son travail de mathématicien, où il a été reconnu comme un talent exceptionnel.

Il a reçu un prix Nobel en 1906, « en reconnaissance des grands mérites de ses recherches théoriques et expérimentales sur la conduction de l’électricité par les gaz., »Il a été fait chevalier en 1908 et nommé à l’ordre du Mérite en 1912. En 1914, il donne la Conférence Romanes à Oxford sur « la théorie atomique ». En 1918, il est devenu maître du Trinity College, Cambridge, où il est resté jusqu’à sa mort. Joseph John Thomson meurt le 30 août 1940; ses cendres reposent à L’Abbaye de Westminster, près des tombes de Sir Isaac Newton et de son ancien élève, Ernest Rutherford.

L’une des plus grandes contributions de Thomson à la science moderne a été son rôle d’enseignant très doué., L’un de ses étudiants était Ernest Rutherford, qui lui succéda plus tard en tant que professeur de physique Cavendish. En plus de Thomson lui-même, six de ses assistants de recherche (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson et Charles Thomson Rees Wilson) ont remporté des Prix Nobel de physique, et deux (Francis William Aston et Ernest Rutherford) ont remporté des Prix Nobel de chimie. En outre, le fils de Thomson (George Paget Thomson) a remporté le prix Nobel de physique 1937 pour avoir prouvé les propriétés ondulatoires des électrons.,

Débutmodifier

L’ouvrage de Maître primé de Thomson, Treatise on the motion of vortex rings, montre son intérêt précoce pour la structure atomique. Thomson y décrit mathématiquement les mouvements de la théorie des vortex des atomes de William Thomson.

Thomson a publié un certain nombre d’articles traitant à la fois des questions mathématiques et expérimentales de l’électromagnétisme. Il a examiné la théorie électromagnétique de la lumière de James Clerk Maxwell, a introduit le concept de masse électromagnétique d’une particule chargée et a démontré qu’un corps chargé en mouvement augmenterait apparemment en masse.,

Une grande partie de son travail dans la modélisation mathématique des processus chimiques peut être considérée comme la chimie informatique précoce. Dans D’autres travaux, publiés sous forme de livre comme Applications of dynamics to physics and chemistry (1888), Thomson a abordé la transformation de l’énergie en termes mathématiques et théoriques, suggérant que toute énergie pourrait être cinétique. Son livre suivant, Notes on recent research in electricity and magnetism (1893), construit sur le Traité de Maxwell sur l’électricité et le magnétisme, et a parfois été appelé « le troisième volume de Maxwell »., Thomson y a mis l’accent sur les méthodes physiques et l’expérimentation et a inclus De nombreuses figures et diagrammes d’appareils, y compris un numéro pour le passage de l’électricité à travers les gaz. Son troisième livre, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (1895) était une introduction lisible à une grande variété de sujets, et atteint une popularité considérable en tant que Manuel.

Une série de quatre conférences, données par Thomson lors d’une visite à L’Université de Princeton en 1896, ont ensuite été publiées sous le titre Discharge of electricity through gases (1897)., Thomson a également présenté une série de six conférences à L’Université Yale en 1904.

découverte de l’électronmodifier

plusieurs scientifiques, tels que William Prout et Norman Lockyer, avaient suggéré que les atomes étaient construits à partir d’une unité plus fondamentale, mais ils envisageaient que cette unité était la taille du plus petit atome, l’hydrogène. Thomson en 1897 a été le premier à suggérer que l’une des unités fondamentales était plus de 1 000 fois plus petite qu’un atome, suggérant la particule subatomique maintenant connue sous le nom d’électron. Thomson a découvert cela grâce à ses explorations sur les propriétés des rayons cathodiques., Thomson fit sa suggestion le 30 avril 1897 à la suite de sa découverte que les rayons cathodiques (à l’époque connus sous le nom de rayons Lenard) pouvaient voyager beaucoup plus loin dans l’air que prévu pour une particule de la taille d’un atome. Il a estimé la masse des rayons cathodiques en mesurant la chaleur générée lorsque les rayons frappent une jonction thermique et en comparant cela avec la déflexion magnétique des rayons. Ses expériences ont suggéré non seulement que les rayons cathodiques étaient plus de 1 000 fois plus légers que l’atome d’hydrogène, mais aussi que leur masse était la même quel que soit le type d’atome d’où ils provenaient., Il a conclu que les rayons étaient composés de particules très légères et chargées négativement qui constituaient un bloc de construction universel d’atomes. Il a appelé les particules « corpuscules », mais les scientifiques plus tard ont préféré le nom électron qui avait été suggéré par George Johnstone Stoney en 1891, avant la découverte réelle de Thomson.

en avril 1897, Thomson n’avait que des premières indications que les rayons cathodiques pouvaient être déviés électriquement (les chercheurs précédents tels que Heinrich Hertz avaient pensé qu’ils ne pouvaient pas l’être)., Un mois après L’annonce du corpuscule par Thomson, il a découvert qu’il pouvait dévier de manière fiable les rayons par un champ électrique s’il évacuait le tube à décharge à une très basse pression. En comparant la déviation d’un faisceau de rayons cathodiques par des champs électriques et magnétiques, il a obtenu des mesures plus robustes du rapport masse / charge qui ont confirmé ses estimations précédentes. C’est devenu le moyen classique de mesurer le rapport charge-masse de l’électron. (La charge elle-même n’a pas été mesurée avant L’expérience de goutte d’huile de Robert A. Millikan en 1909.,)

Thomson croyait que les corpuscules émergeaient des atomes du gaz de trace à l’intérieur de ses tubes cathodiques. Il a ainsi conclu que les atomes étaient divisibles, et que les corpuscules étaient leurs blocs de construction. En 1904, Thomson a suggéré un modèle de l’atome, en émettant l’hypothèse qu’il s’agissait d’une sphère de matière positive dans laquelle les forces électrostatiques déterminaient le positionnement des corpuscules. Pour expliquer la charge neutre globale de l’atome, il a proposé que les corpuscules étaient distribués dans une mer uniforme de charge positive., Dans ce « modèle de plum pudding », les électrons étaient considérés comme intégrés dans la charge positive comme des raisins secs dans un plum pudding (bien que dans le modèle de Thomson, ils n’étaient pas stationnaires, mais orbitaient rapidement).

Thomson a fait la découverte à peu près en même temps que Walter Kaufmann et Emil Wiechert ont découvert le rapport masse / charge correct de ces rayons cathodiques (électrons).

Isotopes et spectrométrie de massemodifier

en 1912, dans le cadre de son exploration de la composition des flux de particules chargées positivement alors appelées rayons canal, Thomson et son assistant de recherche F. W. Aston canalisent un flux d’ions néon à travers un champ magnétique et un champ électrique et mesurent sa déviation en plaçant une plaque photographique sur son trajet., Ils ont observé deux plaques de lumière sur la plaque photographique (voir image de droite), qui suggéraient deux paraboles différentes de déviation, et ont conclu que le néon est composé d’atomes de deux masses atomiques différentes (néon-20 et néon-22), c’est-à-dire de deux isotopes. C’était la première preuve d’isotopes d’un élément stable; Frederick Soddy avait déjà proposé l’existence d’isotopes pour expliquer la désintégration de certains éléments radioactifs.

J. J., La séparation des isotopes du néon par leur masse par Thomson a été le premier exemple de spectrométrie de masse, qui a ensuite été améliorée et développée en une méthode générale par F. W. Aston et par A. J. Dempster.

expériences avec les rayons cathodiquesmodifier

auparavant, les physiciens ont débattu de savoir si les rayons cathodiques étaient immatériels comme la lumière (« un processus dans l’éther ») ou étaient « en fait entièrement matériels, et … marquez les chemins des particules de matière chargées d’électricité négative », citant Thomson. L’hypothèse éthérienne était vague, mais L’hypothèse des particules était suffisamment précise pour que Thomson puisse la tester.,

déviation Magnétiquedit

Thomson a d’abord étudié la déviation magnétique des rayons cathodiques. Les rayons cathodiques ont été produits dans le tube latéral à gauche de l’appareil et ont traversé l’anode dans le bocal principal, où ils ont été déviés par un aimant. Thomson détecté leur chemin par la fluorescence sur un écran carré dans le pot. Il a constaté que quel que soit le matériau de l’anode et le gaz dans le pot, la déviation des rayons était la même, suggérant que les rayons étaient de la même forme quelle que soit leur origine.,

Électrique chargeEdit

bien que les partisans de la théorie éthérienne aient accepté la possibilité que des particules chargées négativement soient produites dans les tubes de Crookes, ils croyaient qu’elles ne sont qu’un sous-produit et que les rayons cathodiques eux-mêmes sont immatériels., Thomson entreprit d’étudier s’il pouvait réellement séparer la charge des rayons.

Thomson a construit un tube de Crookes avec un électromètre placé sur un côté, hors du chemin direct des rayons cathodiques. Thomson a pu tracer le chemin du rayon en observant la tache phosphorescente qu’il a créée là où il a frappé la surface du tube. Thomson a observé que l’électromètre n’enregistrait une charge que lorsqu’il déviait le rayon cathodique vers lui avec un aimant. Il a conclu que la charge négative et les rayons étaient une seule et même chose.,

déflectionedit électrique

en mai–juin 1897, Thomson étudia si les rayons pouvaient ou non être déviés par un champ électrique. Les expérimentateurs précédents n’avaient pas observé cela, mais Thomson pensait que leurs expériences étaient imparfaites parce que leurs tubes contenaient trop de gaz.

Thomson a construit un tube de Crookes avec un meilleur vide. Au début du tube était la cathode à partir de laquelle les rayons projetés., Les rayons étaient aiguisés en un faisceau par deux fentes métalliques-la première de ces fentes doublait l’anode, la seconde était reliée à la terre. Le faisceau passait alors entre deux plaques d’aluminium parallèles, ce qui produisait un champ électrique entre elles lorsqu’elles étaient connectées à une batterie. L’extrémité du tube était une grande sphère où le faisceau aurait un impact sur le verre, créé un patch lumineux. Thomson a collé une échelle à la surface de cette sphère pour mesurer la déviation du faisceau., Tout faisceau d’électrons entrerait en collision avec certains atomes de gaz résiduels à l’intérieur du tube de Crookes, les ionisant ainsi et produisant des électrons et des ions dans le tube (charge spatiale); dans les expériences précédentes, cette charge spatiale criblait électriquement le champ électrique appliqué à l’extérieur. Cependant, dans le tube de Crookes de Thomson, la densité des atomes résiduels était si faible que la charge spatiale des électrons et des ions était insuffisante pour filtrer électriquement le champ électrique appliqué à l’extérieur, ce qui a permis à Thomson d’observer avec succès la déviation électrique.,

lorsque la plaque supérieure était connectée au pôle négatif de la batterie et la plaque inférieure au pôle positif, le patch lumineux se déplaçait vers le bas et lorsque la polarité était inversée, le patch se déplaçait vers le haut.

Mesure de la masse-charge ratioEdit

Dans son expérience classique, Thomson mesuré la masse-charge ratio des rayons cathodiques par la mesure de combien ils ont été déviés par un champ magnétique et en le comparant à la déflexion électrique., Il a utilisé le même appareil que dans son expérience précédente, mais a placé le tube à décharge entre les pôles d’un grand électroaimant. Il a constaté que le rapport masse / charge était plus de mille fois inférieur à celui d’un ion hydrogène (H+), suggérant que les particules étaient très légères et/ou très chargées. De manière significative, les rayons de chaque cathode ont donné le même rapport masse / charge. Ceci contraste avec les rayons anodiques (maintenant connus pour provenir d’ions positifs émis par l’anode), où le rapport masse / charge varie d’anode à anode., Thomson lui-même est resté critique de ce que son travail a établi, dans son discours D’acceptation du prix Nobel se référant aux « corpuscules » plutôt qu’aux « électrons ».,

Les calculs de Thomson peuvent être résumés comme suit (dans sa notation originale, en utilisant F au lieu de E pour le champ électrique et H au lieu de B pour le champ magnétique):

la déflexion électrique est donnée par Θ = F e L / M V 2 {\displaystyle \Theta =Fel/mv^{2}} , Où Θ est la déflexion électrique angulaire, F est l’intensité électrique appliquée, e est la charge des particules de rayons cathodiques, l est la longueur des plaques électriques, m est la masse de les particules de rayons cathodiques et v est la vitesse des particules de rayons cathodiques., La déflexion magnétique est donnée par ϕ = H E l / M V {\displaystyle \phi =Hel/mv} , Où φ est la déflexion magnétique angulaire et H est L’intensité du champ magnétique appliqué.,

Conclusionsmodifier

comme les rayons cathodiques portent une charge d’électricité négative, sont déviés par une force électrostatique comme s’ils étaient électrifiés négativement, et sont actionnés par une force magnétique de la même manière que cette force agirait sur un corps électrifié négativement chemin de ces rayons, Je ne vois pas échapper à la conclusion qu’ils sont des charges d’électricité négative portées par des particules de matière.

iv— – J. J., Thomson

quant à la source de ces particules, Thomson croyait qu’elles émergeaient des molécules de gaz à proximité de la cathode.,

Si, dans le champ électrique très intense au voisinage de la cathode, les molécules du gaz sont dissociées et se divisent, non pas en atomes chimiques ordinaires, mais en ces atomes primordiaux, que nous appellerons brièvement corpuscules; et si ces corpuscules sont chargés d’électricité et projetés de la cathode par le champ électrique, ils se comporteraient exactement comme les rayons cathodiques.

iv— – J. J., Thomson

Thomson imaginait l’atome comme étant constitué de ces corpuscules orbitant dans une mer de charge positive; c’était son modèle de plum pudding. Ce modèle a ensuite été prouvé incorrect lorsque son étudiant Ernest Rutherford a montré que la charge positive est concentrée dans le noyau de l’atome.

autres œuvresModifier

en 1905, Thomson découvre la radioactivité naturelle du potassium.

en 1906, Thomson a démontré que l’hydrogène n’avait qu’un seul électron par atome. Les théories précédentes permettaient différents nombres d’électrons.,

prix et honorationsmodifier

Thomson a été élu membre de la Royal Society (FRS) et nommé au Cavendish professorship of Experimental Physics au Cavendish Laboratory de L’Université de Cambridge en 1884. , Thomson a remporté de nombreux prix et distinctions au cours de sa carrière, notamment:

Thomson a été élu membre de la Royal Society le 12 juin 1884 et a été Président de la Royal Society de 1915 à 1920.

en novembre 1927, J. J. Thomson inaugure le bâtiment Thomson, nommé en son honneur, dans la Leys School de Cambridge.

distinctions Posthumesmodifier

en 1991, le thomson (symbole: Th) a été proposé comme unité de mesure du rapport masse / charge en spectrométrie de masse en son honneur.

L’Avenue J J Thomson, sur le Site West Cambridge de L’Université de Cambridge, porte le nom de Thomson.,

la médaille Thomson, parrainée par L’International Mass Spectrometry Foundation, porte le nom de Thomson.

la médaille et le prix Joseph Thomson de L’Institut de physique portent le nom de Thomson.