Сер Джозеф Джон Томсон: шлях до відкриття електрона та наукова спадщина

Ранні роки та освіта

Сер Джозеф Джон Томсон народився 18 грудня 1856 року в місті Чітем-Гілл, передмісті Манчестера в Англії. Його батько володів книгарнею, а мати походила з родини, яка займалася текстильним бізнесом. Вже у ранньому віці він виявляв надзвичайну зацікавленість у науках, тож у 14 років вступив до Овенс-Коледжу (нинішній Манчестерський університет), де почав вивчати фізику під впливом професора Бальфура Стюарта.

Джозеф Джон Томсон

Втрата батька у 1873 році не завадила амбіціям Томсона, і він продовжив навчання в Триніті-коледжі Кембриджа, де здобув ступінь бакалавра мистецтв у 1880 році, а згодом і ступінь магістра. Саме там він продемонстрував неабиякий математичний хист і став стипендіатом коледжу, що дало йому змогу повністю присвятити себе науковим дослідженням і викладанню.

Попри те, що Томсона спочатку вважали радше теоретиком, ніж експериментатором, уже в 1884 році він був призначений Кавендишським професором фізики в Кембриджі, де працював над проблемами електромагнетизму та дослідженням електричних розрядів у газах

Відкриття електрона та досліди з катодними променями

Найбільшу славу Томсону принесло відкриття електрона у 1897 році. Він досліджував катодні промені, які спостерігалися в трубці Крукса під час пропускання електричного струму в умовах наднизького тиску. Раніше деякі науковці вважали, що ці промені мають хвильову природу або пов’язані з ефіром, проте Томсон довів, що катодні промені являють собою потік негативно заряджених частинок. Він назвав ці частинки “корпускулами”, але згодом у науковому світі закріпилася назва “електрон”.

Копія газорозрядної трубки, за допомогою якої Томсон відкрив електрон, зроблена Річардом Смітом, колишнім склодувом у Кавендішській лабораторії.

У серії ретельно поставлених експериментів Томсон вимірював відхилення катодних променів як у електричному, так і в магнітному полі, що дозволило йому знайти відношення заряду електрона до його маси. Виявилося, що електрон у понад тисячу разів легший за атом водню, який тоді вважали найменшою можливою частинкою.

Синя лінія представляє катодний промінь, а жовте поле - електричне поле.

Після цього відкриття стало очевидним, що атоми мають складну будову і включають у себе ще менші субатомні складники. Томсон запропонував “пудинг-подібну” модель атома, у якій електрони “плавають” у розподіленому позитивному заряді, немов родзинки у пудингу. Ця ідея згодом була переглянута, коли його учень Ернест Резерфорд відкрив ядро, але сама концепція подільності атома означала справжній переворот у фізиці

Пудингова модель атома запропонована Томсоном

Джон Томсон та подальші дослідження та відкриття ізотопів

У 1912 році Томсон разом із Френсісом Вільямом Астоном займався дослідженнями так званих “канальних” променів, які утворювалися з позитивних іонів у розрядній трубці. Спостерігаючи за відхиленням променів у електричному і магнітному полях, учені виявили, що певний хімічний елемент – неон – має атоми різної маси. Цим було покладено початок розумінню явища ізотопії, тобто існування стабільних ізотопів елементів. Томсон розділив неонові іони на дві групи з різною масою і вперше продемонстрував, що існують різні атомні види одного й того ж елемента. Цей експеримент заклав основу для методу мас-спектрометрії, який із часом удосконалили Астон та інші дослідники. Згодом завдяки Томсону й Астону стало можливим уточнити атомні маси та ізотопний склад багатьох елементів

Нобелівська премія та наукова школа

У 1906 році Томсон отримав Нобелівську премію з фізики “за великі заслуги його теоретичних і експериментальних досліджень провідності електрики в газах”. Наукові здобутки Томсона не обмежувалися вивченням катодних променів і відкриттям електрона, адже він також збагатив науку розробками у сфері електромагнетизму і дослідженням фундаментальних процесів розряду в газах. Томсон мав неймовірний педагогічний талант: сім його учнів згодом теж стали лавреатами Нобелівської премії. Серед них Ернест Резерфорд (премія з хімії 1908), Лоуренс Брегг (премія з фізики 1915), Френсіс Астон (премія з хімії 1922) та інші видатні фізики. Такий показник успішності школи Томсона можна порівняти хіба що з науковою школою німецького фізика Арнольда Зоммерфельда

Лоуренс Брегг та Френсіс Астон

Особисте життя та адміністративна діяльність

У 1890 році Томсон одружився з Роз Елізабет Педжет, дочкою відомого кембриджського професора медицини Джорджа Едварда Педжета. Подружжя мало двох дітей, і син Джорджа Педжета Томсона згодом теж отримав Нобелівську премію з фізики за дослідження хвильових властивостей електрона, продовживши батькову спадщину у дещо зміненому ракурсі. Поряд із дослідницькою працею Томсон виконував обов’язки Третього Кавендишського професора фізики у Кембриджі з 1884 до 1919 року, а також займав посаду Майстра Триніті-коледжу з 1918 до 1940. У той самий період він був президентом Лондонського королівського товариства (1915–1920), обіймав почесні звання Лицаря і став одним із членів Ордена Заслуг. Його авторитет у наукових колах був настільки великим, що після смерті у 1940 році прах Томсона поховали у Вестмінстерському абатстві, поруч з могилами серу Ісааку Ньютону та Ернесту Резерфорду

Дошка на честь Дж. Дж. Відкриття Томсоном електрона за межами старої лабораторії Кавендіша в Кембриджі

Наукова спадщина та внесок у майбутнє фізики

Дослідження Томсона суттєво вплинули на розвиток сучасної атомної фізики. Відкриття електрона розкрило приховану структуру атомів і змінило уявлення про неподільність найменших частинок речовини. Модель “пудингу з родзинками” хоч і була згодом змінена, однак стимулювала Ернеста Резерфорда та його колег до подальших пошуків внутрішньої будови атома.

Роботи Томсона з розподілу позитивно заряджених частинок за масами безпосередньо проклали шлях до розвитку мас-спектрометрії. Він зробив вагомий внесок у математичні теорії електромагнетизму та глибоко вплинув на напрями досліджень у галузі фізики плазми, радіоактивності, структури речовини та суміжних дисциплін. Продовжуючи працю своїх попередників і виховуючи нові покоління вчених, Томсон став тією рушійною силою, яка допомогла перетворити атомну фізику на одну з найважливіших галузей наукового прогресу ХХ століття

Джерела:

1. “Joseph John Thomson. Nobel Lecture: Carriers of Negative Electricity”. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.nobelprize.org/prizes/physics/1906/thomson/lecture/

2. Aston F. W. “Mass Spectra and Isotopes” // Philosophical Magazine. – 1919. – Т. 37, № 218. – С. 509-524.

3. “NobelPrize.org: Офіційний сайт Нобелівської премії”. [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.nobelprize.org

4. Rutherford E. “The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom” // Philosophical Magazine. – 1911. – Т. 21. – С. 669-688.

5. Maxwell J. Clerk. “A Treatise on Electricity and Magnetism”. – Oxford: Clarendon Press, 1873. – 560 с.

6. Thomson J. J. “Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism”. – London: Clarendon Press, 1893. – 396 с.

7. Thomson J. J. “Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analyses”. – London: Longmans, Green and Co., 1913. – 287 с.

8. Архів Кавендишської лабораторії (Університет Кембриджа). [Електронний ресурс]. – Режим доступу: https://www.cavendish.msm.cam.ac.uk/archives

9. Cambridge University Library. “Biographical Materials on J. J. Thomson”. – Cambridge: Cambridge University Library, 1940.

10. Westminster Abbey Archives. “Burial of Sir J. J. Thomson”. – London: Westminster Abbey, 1940.