السير جوزيف جون تومسون كان فيزيائياً بريطانياً وحائز جائزة نوبل في الفيزياء، ويُنسب إليه اكتشاف الإلكترون، أول جسيم دون ذري تم اكتشافه.
في عام 1897، أظهر تومسون أن أشعة الكاثود تتكون من جزيئات مشحونة بشحنة سالبة لم تكن معروفة من قبل وتُسمى الآن الإلكترونات، والتي حسب أنها يجب أن يكون لها أجسام أصغر بكثير من الذرات ونسبة شحنة إلى كتلة كبيرة جداً. يُنسب إلى تومسون أيضاً إيجاد أول دليل على نظائر عنصر مستقر وغير مشع في عام 1913، كجزء من استكشافه لتكوين أشعة القنوات والأيونات الموجبة. كانت تجاربه لتحديد طبيعة الجزيئات المشحونة بشحنة موجبة، مع Francis William Aston، أول استخدام لقياس الطيف الكتلي وأدت إلى تطوير مطياف الكتلة.
تم منح تومسون جائزة نوبل في الفيزياء لعام 1906 عن عمله على التوصيل الكهربائي في الغازات.
التعليم والحياة الشخصية
وُلد جوزيف جون تومسون في 18 ديسمبر 1856 في Cheetham Hill، Manchester، Lancashire، إنجلترا. كانت والدته، Emma Swindells، من عائلة نسيج محلية. كان والده، Joseph James Thomson، يدير متجر كتب عتيقة تأسسها جد تومسون الأكبر. كان لديه أخ، Frederick Vernon Thomson، أصغر منه بسنتين. كان J. J. Thomson شخصاً متحفظاً لكنه متدين بإخلاص.
تلقى تعليمه المبكر في مدارس خاصة صغيرة حيث أظهر موهبة استثنائية واهتماماً بالعلوم. في عام 1870، تم قبوله في Owens College في Manchester الآن University of Manchester بسن صغيرة غير عادية وهي 14 سنة. كان والداه يخططان لتسجيله كمتدرب هندسي في Sharp-Stewart & Co، وهي شركة تصنيع القاطرات، لكن هذه الخطط توقفت عندما توفي والده في عام 1873.
انتقل إلى Trinity College، Cambridge، في عام 1876. في عام 1880، حصل على درجة البكالوريوس في الرياضيات Second Wrangler في Tripos والجائزة الثانية لـ Smith. تقدم بطلب وأصبح Fellow في Trinity College في عام 1881. حصل تومسون على درجة الماجستير في الآداب مع جائزة Adams في عام 1883.
الأسرة
في عام 1890، تزوج تومسون Rose Elisabeth Paget. بدءاً من عام 1882، كان بإمكان النساء حضور العروض والمحاضرات في جامعة Cambridge. Rose Paget، ابنة Sir George Edward Paget، وهو طبيب و
أستاذ Regius للفيزياء لاحقاً في Cambridge في كنيسة St. Mary the Less، كانت مهتمة بالفيزياء. حضرت العروض والمحاضرات، من بينها محاضرات تومسون. تطورت علاقتهما من هناك. كان لديهما طفلان: George Paget Thomson، الذي حصل أيضاً على جائزة نوبل عن عمله على خصائص الموجة للإلكترون، و Joan Paget Thomson لاحقاً Charnock، التي أصبحت مؤلفة، وكتبت كتباً للأطفال وكتباً غير روائية وسيرة ذاتية.
المسيرة الوظيفية والبحث
نظرة عامة
في 22 ديسمبر 1884، تم تعيين تومسون أستاذ Cavendish للفيزياء في جامعة Cambridge. تسبب التعيين في مفاجأة كبيرة، نظراً لأن المرشحين مثل Osborne Reynolds أو Richard Glazebrook كانوا أكبر سناً وأكثر خبرة في العمل في المختبرات. كان تومسون معروفاً بعمله كعالم رياضيات، حيث تم الاعتراف به كموهبة استثنائية.
تم منحه جائزة نوبل في عام 1906، "تقديراً للمزايا العظيمة لبحوثه النظرية والتجريبية حول التوصيل الكهربائي بواسطة الغازات." تم تكريمه بلقب فارس في عام 1908 وتعيينه في Order of Merit في عام 1912. في عام 1914، ألقى محاضرة Romanes في Oxford عن "النظرية الذرية". في عام 1918، أصبح Master في Trinity College، Cambridge، حيث ظل هناك حتى وفاته. توفي جوزيف جون تومسون في 30 أغسطس 1940؛ تستريح رماده في Westminster Abbey، بالقرب من قبور السير Isaac Newton وطالبه السابق Ernest Rutherford.
كان أحد أعظم مساهمات تومسون في العلم الحديث في دوره كمدرس موهوب جداً. أحد طلابه كان Ernest Rutherford، الذي خلفه لاحقاً كأستاذ Cavendish للفيزياء. بالإضافة إلى تومسون نفسه، فاز ستة من مساعديه في البحث Charles Glover Barkla و Niels Bohr و Max Born و William Henry Bragg و Owen Willans Richardson و Charles Thomson Rees Wilson بجوائز نوبل في الفيزياء، واثنان Francis William Aston و Ernest Rutherford فازا بجوائز نوبل في الكيمياء. بالإضافة إلى ذلك، فاز ابن تومسون George Paget Thomson بجائزة نوبل في الفيزياء لعام 1937 لإثباته الخصائص الموجية للإلكترونات.
العمل المبكر
يُظهر العمل الماجستير الحائز على جائزة تومسون، Treatise on the motion of vortex rings، اهتمامه المبكر بالبنية الذرية. فيه، وصف تومسون رياضياً حركات نظرية الدوامة الذرية لـ William Thomson.
نشر تومسون عدداً من الأوراق تتناول المسائل الرياضية والتجريبية للكهرومغناطيسية. فحص النظرية الكهرومغناطيسية للضوء لـ James Clerk Maxwell، وقدم مفهوم الكتلة الكهرومغناطيسية للجسيم المشحون، وأظهر أن الجسم المشحون المتحرك سيبدو أنه يزيد في الكتلة.
يمكن اعتبار الكثير من عمله في النمذجة الرياضية للعمليات الكيميائية كيمياء حسابية مبكرة. في عمل إضافي، نُشر في شكل كتاب تحت عنوان Applications of dynamics to physics and chemistry 1888، تناول تومسون تحول الطاقة بطريقة رياضية ونظرية، مما يشير إلى أن جميع الطاقة قد تكون حركية. كتابه التالي، Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893، بني على Treatise upon electricity and magnetism لـ Maxwell، وكان يُشار إليه أحياناً باسم "المجلد الثالث من Maxwell". فيه، أكد تومسون على الطرق الفيزيائية والتجريب وأدرج أشكالاً وخططوطات واسعة للأجهزة، بما في ذلك عدد من أجل مرور الكهرباء عبر الغازات. كتابه الثالث، Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895 كان مقدمة قابلة للقراءة لمجموعة واسعة من الموضوعات، وحقق شهرة كبيرة كمنهج دراسي.
تم نشر سلسلة من أربع محاضرات، ألقاها تومسون في زيارة إلى Princeton University في عام 1896، لاحقاً باسم Discharge of electricity through gases 1897. قدم تومسون أيضاً سلسلة من ست محاضرات في Yale University في عام 1904.
اكتشاف الإلكترون
اقترح عدة علماء، مثل William Prout و Norman Lockyer، أن الذرات تتكون من وحدة أساسية أكثر، لكنهم تصوروا أن هذه الوحدة بحجم أصغر ذرة، الهيدروجين. كان تومسون في عام 1897 أول من اقترح أن إحدى الوحدات الأساسية كانت أصغر بأكثر من 1000 مرة من الذرة، مما يشير إلى الجسيم دون الذري الآن المعروف باسم الإلكترون. اكتشف تومسون هذا من خلال استكشافاته لخصائص أشعة الكاثود. قدم تومسون اقتراحه في 30 أبريل 1897 بعد اكتشافه أن أشعة الكاثود المعروفة في الوقت الحالي باسم Lenard rays يمكنها السفر أبعد بكثير عبر الهواء مما هو متوقع لجسيم بحجم ذرة. قدّر تومسون كتلة أشعة الكاثود بقياس الحرارة الناتجة عندما تضرب الأشعة وصلة حرارية ومقارنة ذلك مع الانحراف المغناطيسي للأشعة. اقترحت تجاربه ليس فقط أن أشعة الكاثود كانت أخف بأكثر من 1000 مرة من ذرة الهيدروجين، بل إن كتلتها كانت نفسها بغض النظر عن نوع الذرة التي جاءت منها. استنتج أن الأشعة تتكون من جزيئات خفيفة جداً ومشحونة بشحنة سالبة وهي كانت لبنة أساسية عالمية للذرات. أطلق على الجزيئات "أجسام"، لكن العلماء اللاحقين فضلوا الاسم إلكترون الذي اقترحه George Johnstone Stoney في عام 1891، قبل اكتشاف تومسون الفعلي.
في أبريل 1897، كان لدى تومسون فقط مؤشرات مبكرة على أن أشعة الكاثود يمكن أن تنحرف كهربائياً والمحققون السابقون مثل Heinrich Hertz اعتقدوا أنهم لا يستطيعون ذلك. بعد شهر من إعلان تومسون عن الجسم، وجد أنه يمكنه بموثوقية انحراف الأشعة بواسطة حقل كهربائي إذا قام بإخلاء أنبوب التفريغ إلى ضغط منخفض جداً. من خلال مقارنة انحراف شعاع من أشعة الكاثود بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية، حصل على قياسات أكثر قوة لنسبة الكتلة إلى الشحنة التي أكدت تقديراته السابقة. أصبح هذا الوسيلة الكلاسيكية لقياس نسبة الشحنة إلى الكتلة للإلكترون. لم يتم قياس الشحنة نفسها حتى تجربة قطرة الزيت لـ Robert A. Millikan في عام 1909.
اعتقد تومسون أن الأجسام ظهرت من ذرات الغاز النزيل داخل أنابيب أشعة الكاثود الخاصة به. استنتج بالتالي أن الذرات قابلة للقسمة، وأن الأجسام كانت لبنات بنائها. في عام 1904، اقترح تومسون نموذجاً للذرة، حيث افترض أنها كرة من المادة الموجبة والتي تحدد فيها القوى الكهروستاتيكية موضع الأجسام. لشرح الشحنة المحايدة الكلية للذرة، اقترح أن الأجسام موزعة بشكل موحد في بحر من الشحنة الموجبة. في هذا "نموذج بودينج الكسترد"، كان ينظر إلى الإلكترونات على أنها مدمجة في الشحنة الموجبة تماماً كالزبيب في بودينج الكسترد على الرغم من أنه في نموذج تومسون لم تكن ثابتة، بل كانت تدور بسرعة.
قام تومسون بالاكتشاف في نفس الوقت تقريباً الذي اكتشف فيه Walter Kaufmann و Emil Wiechert نسبة الكتلة الصحيحة إلى شحنة أشعة الكاثود الإلكترونات.
النظائر وقياس الطيف الكتلي
في عام 1912، كجزء من استكشافه لتكوين تيارات الجزيئات المشحونة بشحنة موجبة المعروفة آنذاك باسم أشعة القنوات، قام تومسون ومساعده في البحث F. W. Aston بتمرير تيار من أيونات النيون عبر حقل مغناطيسي وحقل كهربائي وقياس انحرافها بوضع صفيحة فوتوغرافية في طريقه. لاحظوا رقعتين من الضوء على الصفيحة الفوتوغرافية انظر الصورة على اليمين، مما اقترح قطعتي قطع مكافئة مختلفة من الانحراف، واستنتجوا أن النيون يتكون من ذرات ذات كتل ذرية مختلفة نيون-20 و نيون-22، أي نظائر. كان هذا أول دليل على نظائر عنصر مستقر؛ كان Frederick Soddy قد اقترح سابقاً وجود النظائر لشرح اضمحلال عناصر مشعة معينة.
كان فصل نظائر النيون بواسطة كتلتها بواسطة J. J. Thomson أول مثال على قياس الطيف الكتلي، والذي تم تحسينه وتطويره لاحقاً ليصبح طريقة عامة بواسطة F. W. Aston و A. J. Dempster.
التجارب مع أشعة الكاثود
في وقت سابق، كان الفيزيائيون يناقشون ما إذا كانت أشعة الكاثود غير مادية مثل الضوء "بعض العملية في الأثير" أم كانت "في الواقع مادية تماماً، و... تحدد مسارات جزيئات المادة المشحونة بكهرباء سالبة"، في اقتباس من تومسون. كانت الفرضية الأثيرية غامضة، لكن فرضية الجسيمات كانت محددة بما يكفي لتومسون لاختبارها.
الانحراف المغناطيسي
حقق تومسون أولاً في الانحراف المغناطيسي لأشعة الكاثود. تم إنتاج أشعة الكاثود في الأنبوب الجانبي على يسار الجهاز ومرت عبر المصعد إلى الجرس الرئيسي، حيث تم انحرافها بواسطة مغناطيس. كشف تومسون عن مسارهم من خلال الفلورة على شاشة بشبكة في الجرس. وجد أنه بغض النظر عن مادة المصعد والغاز في الجرس، فإن انحراف الأشعة كان هو نفسه، مما يشير إلى أن الأشعة كانت من نفس الشكل بغض النظر عن أصلها.
الشحنة الكهربائية
بينما قبل مؤيدو النظرية الأثيرية إمكانية إنتاج جزيئات مشحونة بشحنة سالبة في أنابيب Crookes، قرر تومسون التحقق من ما إذا كان بإمكانه بالفعل فصل الشحنة عن الأشعة أم لا.
قام تومسون بتشييد أنبوب Crookes مع جهاز قياس كهربائي يُو
