J. J. Thomson (Svenska)

OverviewEdit

den 22 December 1884 utsågs Thomson till Cavendish Professor i fysik vid University of Cambridge. Utnämningen orsakade stor överraskning, med tanke på att kandidater som Osborne Reynolds eller Richard Glazebrook var äldre och mer erfarna i laboratoriearbete. Thomson var känd för sitt arbete som matematiker, där han erkändes som en exceptionell talang.

Han tilldelades Nobelpriset 1906, ”som ett erkännande av de stora fördelarna med hans teoretiska och experimentella undersökningar om ledning av el genom gaser.,”Han blev adlad 1908 och utsågs till förtjänstorden 1912. År 1914 gav han Romanes Föreläsning i Oxford på ”The atomic teori”. År 1918 blev han Master of Trinity College, Cambridge, där han stannade till sin död. Joseph John Thomson dog den 30 augusti 1940; hans aska vila i Westminster Abbey, nära gravar av Sir Isaac Newton och hans före detta elev, Ernest Rutherford.

en av Thomsons största bidrag till modern vetenskap var i sin roll som en mycket begåvad lärare., En av hans elever var Ernest Rutherford, som senare efterträdde honom som Cavendish Professor i fysik. I tillägg till Thomson själv, sex av hans forskning assistenter (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson och Charles Thomson Rees Wilson) vann Nobelpriset i fysik, och två (Francis William Aston och Ernest Rutherford) vann Nobelpriset i kemi. Dessutom vann Thomsons son (George Paget Thomson) 1937 Nobelpriset i fysik för att bevisa elektronernas vågliknande egenskaper.,

tidig workEdit

Thomsons prisbelönta mästares arbete, avhandling om virvelringarnas rörelse, visar sitt tidiga intresse för atomstruktur. I det beskrev Thomson matematiskt rörelserna av William Thomsons vortexteori om atomer.

Thomson publicerade ett antal papper som behandlade både matematiska och experimentella problem med elektromagnetism. Han undersökte den elektromagnetiska teorin om ljus av James Clerk Maxwell, introducerade begreppet elektromagnetisk massa av en laddad partikel och visade att en rörlig laddad kropp tydligen skulle öka i massa.,

mycket av hans arbete med matematisk modellering av kemiska processer kan ses som tidig beräkningskemi. I ytterligare arbete, publicerat i bokform som tillämpningar av dynamik till fysik och kemi (1888), behandlade Thomson omvandlingen av energi i matematiska och teoretiska termer, vilket tyder på att all energi kan vara kinetisk. Hans nästa bok, Notes on recent researches in electricity and magnetism (1893), byggd på Maxwells avhandling om el och magnetism, och kallades ibland ”den tredje volymen av Maxwell”., I det betonade Thomson fysiska metoder och experiment och inkluderade omfattande figurer och diagram över apparater, inklusive ett nummer för passage av el genom gaser. Hans tredje bok Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (1895) var en läsbar introduktion till en mängd olika ämnen och uppnådde stor popularitet som lärobok.

en serie av fyra föreläsningar, som gavs av Thomson vid ett besök på Princeton University 1896, publicerades senare som utsläpp av el genom gaser (1897)., Thomson presenterade också en serie av sex föreläsningar vid Yale University 1904.

Upptäckten av electronEdit

Flera forskare, såsom William Prout och Norman Lockyer, hade föreslagit att atomer byggdes upp från en mer grundläggande enhet, men de föreställde sig att denna enhet bör vara storleken på den minsta atom, väte. Thomson 1897 var den första som föreslog att en av de grundläggande enheterna var mer än 1000 gånger mindre än en atom, vilket tyder på den subatomiska partikeln som nu kallas elektronen. Thomson upptäckte detta genom sina upptäckter om katodstrålarnas egenskaper., Thomson gjorde sitt förslag den 30 April 1897 efter sin upptäckt att katodstrålar (vid den tiden känd som Lenardstrålar) kunde resa mycket längre genom luften än förväntat för en atomstor partikel. Han uppskattade massan av katodstrålar genom att mäta den värme som genereras när strålarna träffar en termisk korsning och jämföra detta med den magnetiska avböjningen av strålarna. Hans experiment föreslog inte bara att katodstrålarna var över 1000 gånger lättare än väteatomen, men också att deras massa var densamma i vilken typ av atom de kom ifrån., Han drog slutsatsen att strålarna bestod av mycket lätta, negativt laddade partiklar som var ett universellt byggsten av atomer. Han kallade partiklarna ”corpuscles” , men senare forskare föredrog namnet electron som hade föreslagits av George Johnstone Stoney 1891, före Thomsons faktiska upptäckt.

i April 1897 hade Thomson bara tidiga indikationer på att katodstrålarna kunde avböjas elektriskt (tidigare utredare som Heinrich Hertz hade trott att de inte kunde vara)., En månad efter Thomsons tillkännagivande av corpuscle fann han att han på ett tillförlitligt sätt kunde avleda strålarna av ett elektriskt fält om han evakuerade urladdningsröret till ett mycket lågt tryck. Genom att jämföra avböjningen av en stråle av katodstrålar med elektriska och magnetiska fält erhöll han mer robusta mätningar av förhållandet mellan massa och laddning som bekräftade hans tidigare uppskattningar. Detta blev det klassiska sättet att mäta elektronens laddning-till-massförhållande. (Laddningen i sig mättes inte förrän Robert A. Millikans oljedroppsexperiment 1909.,)

Thomson trodde att kropparna kom fram från atomerna i spårgasen inuti hans katodstrålerör. Han drog således slutsatsen att atomer var delbara och att kropparna var deras byggstenar. 1904 föreslog Thomson en modell av atomen, hypoteser att det var en sfär av positiv Materia inom vilken elektrostatiska krafter bestämde placeringen av kropparna. För att förklara den totala neutrala laddningen av atomen föreslog han att kropparna distribuerades i ett enhetligt hav av positiv laddning., I denna” plum pudding-modell ” sågs elektronerna som inbäddade i den positiva laddningen som russin i en plommonpudding (även om de i Thomsons modell inte var stationära, men kretsade snabbt).

Thomson gjorde upptäckten ungefär samtidigt som Walter Kaufmann och Emil Wiechert upptäckte det korrekta mass-laddningsförhållandet för dessa katodstrålar (elektroner).

isotoper och masspektrometriedit

i 1912, som en del av hans utforskning i sammansättningen av strömmar av positivt laddade partiklar då känd som kanalstrålar, Thomson och hans forskningsassistent F. W. Aston kanaliserade en ström av neonjoner genom ett magnetiskt och ett elektriskt fält och mätte dess avböjning genom att placera en fotografisk platta i sin väg., De observerade två fläckar av ljus på den fotografiska plattan (se bild till höger), som föreslog två olika paraboler av avböjning, och drog slutsatsen att neon består av atomer av två olika atommassor (neon-20 och neon-22), det vill säga av två isotoper. Detta var det första beviset för isotoper av ett stabilt element; Frederick Soddy hade tidigare föreslagit förekomsten av isotoper för att förklara sönderfallet av vissa radioaktiva element.

J. J., Thomsons separation av neonisotoper med sin massa var det första exemplet på masspektrometri, som därefter förbättrades och utvecklades till en allmän metod av F. W. Aston och av A. J. Dempster.

experiment med katodstrålesedit

tidigare debatterade fysiker om katodstrålarna var oväsentliga som ljus (”någon process i aether”) eller var ”faktiskt helt material, och … markera vägar partiklar av materia laddade med negativ elektricitet”, citera Thomson. Den aetheriala hypotesen var vag, men partikelhypotesen var bestämd nog för att Thomson skulle testa.,

magnetisk avböjningedit

Thomson undersökte först den magnetiska avböjningen av katodstrålar. Katodstrålar producerades i sidoröret till vänster om apparaten och passerade genom anoden i huvudklockburken, där de avböjdes av en magnet. Thomson upptäckte deras väg genom fluorescensen på en fyrkantig skärm i burken. Han fann att oavsett materialet i anoden och gasen i burken var avböjningen av strålarna densamma, vilket tyder på att strålarna var av samma form oavsett deras ursprung.,

elektrisk laddning

medan anhängare av aetherialteorin accepterade möjligheten att negativt laddade partiklar produceras i Crookes rör, trodde de att de bara är en biprodukt och att katodstrålarna själva är oväsentliga., Thomson bestämde sig för att undersöka om han faktiskt kunde skilja laddningen från strålarna.

Thomson konstruerade ett Krokesrör med en elektrometer inställd på ena sidan, ur katodstrålarnas direkta väg. Thomson kunde spåra strålens väg genom att observera den fosforescerande lapp som den skapade där den träffade rörets yta. Thomson observerade att elektrometern registrerade en laddning endast när han avböjde katodstrålen till den med en magnet. Han drog slutsatsen att den negativa laddningen och strålarna var en och samma.,

elektrisk avböjningedit

i maj–juni 1897 undersökte Thomson huruvida strålarna kunde avböjas av ett elektriskt fält. Tidigare experimenter hade misslyckats med att observera detta, men Thomson trodde att deras experiment var bristfälliga eftersom deras rör innehöll för mycket gas.

Thomson konstruerade ett Krokesrör med bättre vakuum. I början av röret var katoden från vilken strålarna projiceras., Strålarna skärptes till en stråle med två metallslitsar – den första av dessa slitsar fördubblades som anoden, den andra var ansluten till jorden. Strålen passerade sedan mellan två parallella aluminiumplåtar, som producerade ett elektriskt fält mellan dem när de var anslutna till ett batteri. Änden av röret var en stor sfär där strålen skulle påverka glaset, skapade en glödande lapp. Thomson klistrade en skala på ytan av denna sfär för att mäta avböjningen av strålen., Varje elektronstråle skulle kollidera med vissa restgasatomer i Krookesröret, och därigenom jonisera dem och producera elektroner och joner i röret (rymdladdning); i tidigare experiment denna rymdladdning elektriskt screenade det externt applicerade elektriska fältet. I Thomsons Krookesrör var densiteten hos kvarvarande atomer så låg att rymdladdningen från elektronerna och jonerna var otillräcklig för att elektriskt avskärma det externt applicerade elektriska fältet, vilket gjorde det möjligt för Thomson att framgångsrikt observera elektrisk avböjning.,

När den övre plattan var ansluten till batteriets negativa pol och den nedre plattan till den positiva polen flyttade den glödande plåstret nedåt och när polariteten var omvänd flyttade plåstret uppåt.

mätning av mass-to-charge ratioEdit

i sitt klassiska experiment mätte Thomson mass-to-charge-förhållandet mellan katodstrålarna genom att mäta hur mycket de avböjdes av ett magnetfält och jämföra detta med den elektriska avböjningen., Han använde samma apparat som i sitt tidigare experiment, men placerade urladdningsröret mellan polerna i en stor elektromagnet. Han fann att mass-till-laddningsförhållandet var över tusen gånger lägre än en vätejon (H+), vilket tyder på att partiklarna var mycket lätta och/eller mycket högladdade. Signifikant gav strålarna från varje katod samma mass-till-laddningsförhållande. Detta är i motsats till anodstrålar (nu känd för att uppstå från positiva joner som emitteras av anoden), där mass-till-laddningsförhållandet varierar från anod-till-anod., Thomson själv var kritisk till vad hans arbete etablerades, i sitt nobelprisacceptans tal med hänvisning till” blodkroppar ”snarare än”elektroner”.,

Thomsons beräkningar kan sammanfattas enligt följande (i sin ursprungliga notation, med hjälp av F istället för E för det elektriska fältet och H istället för B för magnetfältet):

den elektriska avböjningen ges av Θ = f e l/m v 2 {\displaystyle \Theta =Fel / mv^{2}} , där Θ är den vinklade elektriska avböjningen, f appliceras elektrisk intensitet, e är laddningen av katodstrålepartiklarna, l är längden på de elektriska plattorna, m är massan av av katodstrålpartiklarna och v är hastigheten hos katodstrålpartiklarna., Den magnetiska avböjningen ges av = H e L/M V {\displaystyle \phi =Hel / MV} , där φ är vinkelmagnetisk avböjning och H är den applicerade magnetfältintensiteten.,

ConclusionsEdit

eftersom katodstrålarna bär en laddning av negativ elektricitet, avböjs av en elektrostatisk kraft som om de var negativt elektrifierade och påverkas av en magnetisk kraft på bara det sätt på vilket denna kraft skulle verka på en negativt Elektrifierad kropp som rör sig längs dessa strålningsvägen, kan jag inte se någon flykt från slutsatsen att de är laddningar av negativ el som bärs av partiklar av materia.

— J. J., Thomson

När det gäller källan till dessa partiklar trodde Thomson att de uppstod från gasmolekylerna i närheten av katoden.,

om gasens molekyler i det mycket intensiva elektriska fältet i katoden dissocieras och delas upp, inte i de vanliga kemiska atomerna, utan i dessa primordiala atomer, som vi för korthet ska kalla blodkroppar; och om dessa blodkroppar laddas med el och projiceras från katoden av det elektriska fältet, skulle de uppträda exakt som katodstrålarna.

— J. J., Thomson

Thomson föreställde sig atomen som består av dessa kroppar som kretsar kring ett hav av positiv laddning; detta var hans plommonpudding-modell. Denna modell visade sig senare felaktig när hans student Ernest Rutherford visade att den positiva laddningen är koncentrerad i atomens kärna.

andra workEdit

1905 upptäckte Thomson den naturliga radioaktiviteten av kalium.

1906 visade Thomson att väte endast hade en enda elektron per atom. Tidigare teorier tillät olika antal elektroner.,

Awards och honoursEdit