J. J. Thomson (Deutsch)

OverviewEdit

Am 22.Dezember 1884 wurde Thomson zum Cavendish Professor of Physics an der University of Cambridge ernannt. Die Ernennung sorgte für große Überraschung, da Kandidaten wie Osborne Reynolds oder Richard Glazebrook älter und erfahrener in der Laborarbeit waren. Thomson war bekannt für seine Arbeit als Mathematiker, wo er als außergewöhnliches Talent anerkannt wurde.

Er wurde 1906 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet, “ in Anerkennung der großen Verdienste seiner theoretischen und experimentellen Untersuchungen zur Leitung von Elektrizität durch Gase., 1908 wurde er zum Ritter geschlagen und 1912 in den Verdienstorden berufen. 1914 hielt er den Romanes Lecture in Oxford zum Thema „The atomic theory“. Im Jahr 1918 wurde er Meister des Trinity College in Cambridge, wo er bis zu seinem Tod blieb. August 1940; seine Asche ruht in der Westminster Abbey, in der Nähe der Gräber von Sir Isaac Newton und seinem ehemaligen Schüler Ernest Rutherford.

Einer der größten Beiträge Thomsons zur modernen Wissenschaft war in seiner Rolle als hochbegabter Lehrer., Einer seiner Studenten war Ernest Rutherford, der ihm später als Cavendish Professor of Physics folgte. Neben Thomson selbst gewannen sechs seiner Forschungsassistenten (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson und Charles Thomson Rees Wilson) Nobelpreise in Physik und zwei (Francis William Aston und Ernest Rutherford) Nobelpreise in Chemie. Darüber hinaus gewann Thomsons Sohn (George Paget Thomson) 1937 den Nobelpreis für Physik für den Nachweis der wellenartigen Eigenschaften von Elektronen.,

Early workEdit

Thomsons preisgekröntes Meisterwerk, Abhandlung über die Bewegung von Wirbelringen, zeigt sein frühes Interesse an der atomaren Struktur. Darin beschrieb Thomson mathematisch die Bewegungen von William Thomsons Wirbeltheorie der Atome.

Thomson veröffentlichte eine Reihe von Arbeiten, die sich sowohl mit mathematischen als auch mit experimentellen Fragen des Elektromagnetismus befassten. Er untersuchte die elektromagnetische Theorie des Lichts von James Clerk Maxwell, führte das Konzept der elektromagnetischen Masse eines geladenen Teilchens ein und zeigte, dass ein sich bewegender geladener Körper anscheinend an Masse zunehmen würde.,

Ein Großteil seiner Arbeit in der mathematischen Modellierung chemischer Prozesse kann als frühe Computerchemie betrachtet werden. In weiteren Arbeiten, die in Buchform als Anwendungen der Dynamik auf Physik und Chemie (1888) veröffentlicht wurden, befasste sich Thomson mit der Umwandlung von Energie in mathematische und theoretische Begriffe, was darauf hindeutet, dass alle Energie kinetisch sein könnte. Sein nächstes Buch, Notes on recent researches in electricity and magnetism (1893), baute auf Maxwells Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus auf und wurde manchmal als „der dritte Band von Maxwell“bezeichnet., Darin betonte Thomson physikalische Methoden und Experimente und enthielt umfangreiche Abbildungen und Diagramme von Geräten, einschließlich einer Zahl für den Durchgang von Elektrizität durch Gase. Sein drittes Buch, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (1895) war eine lesbare Einführung in eine Vielzahl von Themen und erlangte als Lehrbuch große Popularität.

Eine Reihe von vier Vorlesungen, die Thomson 1896 bei einem Besuch an der Princeton University hielt, wurden anschließend als Entladung von Elektrizität durch Gase (1897) veröffentlicht., Thomson präsentierte auch eine Reihe von sechs Vorlesungen an der Yale University im Jahr 1904.

Entdeckung des Elektrons h3

Mehrere Wissenschaftler, wie William Prout und Norman Lockyer, hatten vorgeschlagen, dass Atome aus einer grundlegenderen Einheit aufgebaut wurden, aber sie stellten sich diese Einheit als die Größe des kleinsten Atoms vor, Wasserstoff. Thomson schlug 1897 als erster vor, dass eine der fundamentalen Einheiten mehr als 1.000 Mal kleiner als ein Atom sei, was auf das subatomare Teilchen hindeutet, das heute als Elektron bekannt ist. Thomson entdeckte dies durch seine Untersuchungen zu den Eigenschaften von Kathodenstrahlen., April 1897 nach seiner Entdeckung, dass Kathodenstrahlen (zu der Zeit als Lenard-Strahlen bekannt) viel weiter durch die Luft reisen könnten als für ein atomgroßes Teilchen erwartet. Er schätzte die Masse der Kathodenstrahlen, indem er die Wärme maß, die erzeugt wurde, als die Strahlen auf einen thermischen Übergang trafen, und dies mit der magnetischen Ablenkung der Strahlen verglich. Seine Experimente deuteten nicht nur darauf hin, dass Kathodenstrahlen über 1.000-mal leichter waren als das Wasserstoffatom, sondern auch, dass ihre Masse in jedem Atomtyp gleich war., Er kam zu dem Schluss, dass die Strahlen aus sehr leichten, negativ geladenen Teilchen bestanden, die ein universeller Baustein von Atomen waren. Er nannte die Teilchen „Korpuskeln“, aber spätere Wissenschaftler bevorzugten den Namen Electron, der 1891 von George Johnstone Stoney vorgeschlagen worden war, bevor Thomson tatsächlich entdeckt wurde.

Im April 1897 hatte Thomson nur frühe Hinweise darauf, dass die Kathodenstrahlen elektrisch abgelenkt werden könnten (frühere Ermittler wie Heinrich Hertz hatten dies nicht für möglich gehalten)., Einen Monat nach Thomsons Ankündigung des Korpuskels stellte er fest, dass er die Strahlen zuverlässig durch ein elektrisches Feld ablenken konnte, wenn er die Entladungsröhre auf einen sehr niedrigen Druck evakuierte. Durch den Vergleich der Ablenkung eines Kathodenstrahls durch elektrische und magnetische Felder erhielt er robustere Messungen des Masse-zu-Ladung-Verhältnisses, die seine früheren Schätzungen bestätigten. Dies wurde zum klassischen Mittel zur Messung des Ladung-Masse-Verhältnisses des Elektrons. (Die Ladung selbst wurde erst nach Robert A. Millikans Öltropfen-Experiment im Jahr 1909 gemessen.,)

Thomson glaubte, dass die Korpuskeln aus den Atomen des Spurengases in seinen Kathodenstrahlröhren hervorgingen. Er kam somit zu dem Schluss, dass Atome teilbar waren und dass die Korpuskeln ihre Bausteine waren. Im Jahr 1904 schlug Thomson ein Modell des Atoms vor und stellte die Hypothese auf, dass es sich um eine Sphäre positiver Materie handelte, in der elektrostatische Kräfte die Positionierung der Korpuskeln bestimmten. Um die gesamte neutrale Ladung des Atoms zu erklären, schlug er vor, dass die Korpuskeln in einem einheitlichen Meer positiver Ladung verteilt waren., In diesem „Plum Pudding model“ wurden die Elektronen wie Rosinen in einem Plum Pudding in die positive Ladung eingebettet gesehen (obwohl sie in Thomsons Modell nicht stationär waren, sondern schnell umkreisten).

Thomson machte die Entdeckung ungefähr zur gleichen Zeit, als Walter Kaufmann und Emil Wiechert das richtige Verhältnis von Masse zu Ladung dieser Kathodenstrahlen (Elektronen) entdeckten.

Isotope und Massenspektrometrie

In der unteren rechten Ecke dieser Fotoplatte befinden sich Markierungen für die beiden Neon-Isotope neon-20 und neon-22.,

Im Jahr 1912 kanalisierten Thomson und sein Forschungsassistent F. W. Aston im Rahmen seiner Erforschung der Zusammensetzung der Ströme positiv geladener Teilchen, die damals als Kanalstrahlen bekannt waren, einen Strom von Neonionen durch ein magnetisches und ein elektrisches Feld und maßen seine Ablenkung, indem sie eine fotografische Platte auf ihren Weg brachten., Sie beobachteten zwei Lichtflecken auf der fotografischen Platte (siehe Bild rechts), die auf zwei verschiedene Ablenkungsparabeln hindeuteten, und kamen zu dem Schluss, dass Neon aus Atomen zweier verschiedener Atommassen (Neon-20 und Neon-22) besteht, dh aus zwei Isotopen. Dies war der erste Beweis für Isotope eines stabilen Elements; Frederick Soddy hatte zuvor die Existenz von Isotopen vorgeschlagen, um den Zerfall bestimmter radioaktiver Elemente zu erklären.

J. J., Thomsons Trennung von Neonisotopen durch ihre Masse war das erste Beispiel für die Massenspektrometrie, die anschließend von F. W. Aston und A. J. Dempster verbessert und zu einer allgemeinen Methode entwickelt wurde.

Experimente mit Kathodenraysedit

Zuvor diskutierten Physiker, ob Kathodenstrahlen wie Licht immateriell waren („ein Prozess im Äther“) oder „tatsächlich vollständig materiell waren und … markieren Sie die Pfade von Materieteilchen, die mit negativer Elektrizität geladen sind“, zitiert Thomson. Die Aetherialhypothese war vage, aber die Teilchenhypothese war eindeutig genug für Thomson zu testen.,

Magnetische Ablenkungedit

Thomson untersuchte zunächst die magnetische Ablenkung von Kathodenstrahlen. Kathodenstrahlen wurden im Seitenrohr links von der Vorrichtung erzeugt und durch die Anode in das Hauptglockengefäß geleitet, wo sie von einem Magneten abgelenkt wurden. Thomson entdeckte ihren Weg durch die Fluoreszenz auf einem quadratischen Bildschirm im Glas. Er fand heraus, dass unabhängig vom Material der Anode und des Gases im Gefäß die Durchbiegung der Strahlen gleich war, was darauf hindeutet, dass die Strahlen unabhängig von ihrer Herkunft die gleiche Form hatten.,

Elektrische Ladungmit

Während Befürworter der Äther-Theorie die Möglichkeit akzeptierten, dass negativ geladene Teilchen in Crookes-Röhren produziert werden, glaubten sie, dass sie ein bloßes Nebenprodukt sind und dass die Kathodenstrahlen selbst immateriell sind., Thomson machte sich daran zu untersuchen, ob er die Ladung tatsächlich von den Strahlen trennen konnte oder nicht.

Thomson konstruierte aus dem direkten Weg der Kathodenstrahlen eine Crookes-Röhre mit einem einseitig eingestellten Elektrometer. Thomson konnte den Weg des Strahls verfolgen, indem er das von ihm erzeugte phosphoreszierende Pflaster beobachtete, wo es auf die Oberfläche der Röhre traf. Thomson beobachtete, dass das Elektrometer nur dann eine Ladung registrierte, wenn er den Kathodenstrahl mit einem Magneten ablenkte. Er kam zu dem Schluss, dass die negative Ladung und die Strahlen ein und dasselbe waren.,

Elektrische deflectionEdit

Im Mai–Juni 1897 untersuchte Thomson, ob die Strahlen durch ein elektrisches Feld abgelenkt werden konnten oder nicht. Frühere Experimentatoren hatten dies nicht beobachtet, aber Thomson glaubte, dass ihre Experimente fehlerhaft waren, weil ihre Röhren zu viel Gas enthielten.

Thomson konstruierte ein Crookes-Rohr mit einem besseren Vakuum. Zu Beginn der Röhre befand sich die Kathode, aus der die Strahlen projizierten., Die Strahlen wurden durch zwei Metallschlitze zu einem Strahl geschärft – der erste dieser Schlitze verdoppelte sich als Anode, der zweite war mit der Erde verbunden. Der Balken passierte dann zwischen zwei parallelen Aluminiumplatten, die ein elektrisches Feld zwischen ihnen erzeugten, als sie an eine Batterie angeschlossen wurden. Das Ende der Röhre war eine große Kugel, in der der Strahl auf das Glas aufprallte und einen glühenden Fleck erzeugte. Thomson klebte eine Skala an die Oberfläche dieser Kugel, um die Durchbiegung des Strahls zu messen., Jeder Elektronenstrahl würde mit einigen Restgasatomen innerhalb der Crookes-Röhre kollidieren, sie dadurch ionisieren und Elektronen und Ionen in der Röhre erzeugen (Raumladung); In früheren Experimenten hat diese Raumladung das extern angelegte elektrische Feld elektrisch abgeschirmt. In Thomsons Crookes-Röhre war die Dichte der Restatome jedoch so gering, dass die Raumladung der Elektronen und Ionen nicht ausreichte, um das extern angelegte elektrische Feld elektrisch abzuschirmen, was Thomson erlaubte, die elektrische Ablenkung erfolgreich zu beobachten.,

Wenn die obere Platte mit dem negativen Pol der Batterie und die untere Platte mit dem positiven Pol verbunden war, bewegte sich der glühende Fleck nach unten, und wenn die Polarität umgekehrt wurde, bewegte sich der Fleck nach oben.

Messung der Masse-zu-Ladung-ratioEdit

In seinem klassischen Experiment maß Thomson das Masse-zu-Ladung-Verhältnis der Kathodenstrahlen, indem er maß, wie stark sie von einem Magnetfeld abgelenkt wurden, und dies mit dem elektrischen ablenkung., Er verwendete die gleiche Vorrichtung wie in seinem vorherigen Experiment, stellte jedoch die Entladungsröhre zwischen die Pole eines großen Elektromagneten. Er fand heraus, dass das Verhältnis von Masse zu Ladung mehr als tausendmal niedriger war als das eines Wasserstoffions (H+), was darauf hindeutet, dass die Teilchen entweder sehr leicht und/oder sehr hoch geladen waren. Bezeichnenderweise ergaben die Strahlen von jeder Kathode das gleiche Masse-zu-Ladung-Verhältnis. Dies steht im Gegensatz zu Anodenstrahlen (von denen bekannt ist, dass sie aus von der Anode emittierten positiven Ionen entstehen), bei denen das Massen-Ladungsverhältnis von Anode zu Anode variiert., Thomson selbst blieb kritisch gegenüber dem, was seine Arbeit festlegte, und bezog sich in seiner Rede zur Annahme des Nobelpreises eher auf „Korpuskeln“ als auf „Elektronen“.,

Thomsons Berechnungen lassen sich wie folgt zusammenfassen (in seiner ursprünglichen Notation unter Verwendung von F anstelle von E für das elektrische Feld und H anstelle von B für das Magnetfeld):

Die elektrische Ablenkung ist gegeben durch Θ = F e l / m v 2 {\displaystyle \Theta =Fel/mv^{2}}, wobei Θ die elektrische Winkelablenkung ist , F die elektrische Intensität ist, e die Ladung der Kathodenstrahlpartikel ist, l die Länge der elektrischen Platten ist, m die Masse der Kathode ist, strahlpartikel und v ist die Geschwindigkeit der Kathodenstrahlpartikel., Die magnetische Auslenkung ist gegeben durch ϕ = H e l / m v {\displaystyle \phi =Hel/mv} , wobei φ der Winkel der magnetischen Ablenkung und H die angelegte magnetische Feldstärke.,

ConclusionsEdit

Da die Kathodenstrahlen eine Ladung negativer Elektrizität tragen, werden sie durch eine elektrostatische Kraft abgelenkt, als wären sie negativ elektrifiziert, und werden von einer magnetischen Kraft so beeinflusst, wie diese Kraft auf einen negativ elektrifizierten Körper wirken würde, der sich entlang des Weges dieser Strahlen bewegt, Ich kann kein Entrinnen aus der Schlussfolgerung dass sie Ladungen negativer Elektrizität sind, die von Materieteilchen getragen werden.

— J. J., Thomson

Bezüglich der Quelle dieser Teilchen glaubte Thomson, dass sie aus den Gasmolekülen in der Nähe der Kathode hervorgingen.,

Wenn in dem sehr intensiven elektrischen Feld in der Nähe der Kathode die Moleküle des Gases dissoziiert und gespalten werden, nicht in die gewöhnlichen chemischen Atome, sondern in diese Uratome, die wir der Kürze halber Korpuskeln nennen werden; und wenn diese Korpuskeln mit Elektrizität geladen und durch das elektrische Feld von der Kathode projiziert werden, verhalten sie sich genau wie die Kathodenstrahlen.

— J. J., Thomson

Thomson stellte sich vor, dass das Atom aus diesen Korpuskeln bestand, die in einem Meer positiver Ladung umkreisten; Dies war sein Pflaumenpuddingmodell. Dieses Modell wurde später als falsch erwiesen, als sein Schüler Ernest Rutherford zeigte, dass die positive Ladung im Kern des Atoms konzentriert ist.

Andere Arbeitedit

1905 entdeckte Thomson die natürliche Radioaktivität von Kalium.

1906 zeigte Thomson, dass Wasserstoff nur ein einziges Elektron pro Atom hatte. Frühere Theorien erlaubten verschiedene Zahlen von Elektronen.,

Auszeichnungen und Ehrungenedit

div >

Thomson wurde zum Fellow der Royal Society (FRS) gewählt und 1884 auf die Cavendish-Professur für Experimentalphysik am Cavendish Laboratory der University of Cambridge berufen. , Thomson gewann zahlreiche Auszeichnungen und Ehrungen während seiner Karriere, darunter:

Thomson wurde am 12. Juni 1884 zum Fellow der Royal Society gewählt und war von 1915 bis 1920 Präsident der Royal Society.

Im November 1927 eröffnete J. J. Thomson das ihm zu Ehren benannte Thomson Building in der Leys School in Cambridge.

Posthume Ehrungenedit

1991 wurde der Thomson (Symbol: Th) zu seinen Ehren als Maßeinheit für das Verhältnis von Masse zu Ladung in der Massenspektrometrie vorgeschlagen.

J J Thomson Avenue, auf der University of Cambridge West Cambridge Website, ist nach Thomson benannt.,

Der Thomson Medal Award, gesponsert von der International Mass Spectrometry Foundation, ist nach Thomson benannt.

Das Institut für Physik Joseph Thomson Medaille und Preis ist nach Thomson benannt.