ג'וזף ג'ון תומסון
סר ג'וזף ג'ון תומסון (18 בדצמבר 1856 – 30 באוגוסט 1940) היה פיזיקאי בריטי. הוא קיבל את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1906 "בהוקרה על הכישרון הרב של מחקריו התאורטיים והניסיוניים על הולכת חשמל בגזים". בשנת 1897, הוא הראה שקרני קתודה מורכבות מחלקיקים טעונים שלילית שלא היו ידועים קודם לכן (הנקראים כיום אלקטרונים), אשר חישב כי חייבים להיות בעלי גופים קטנים בהרבה מאטומים ובעלי יחס מטען-מסה גדול מאוד. האלקטרון היה החלקיק התת-אטומי הראשון שהתגלה.
תומסון נחשב למי שמצא את העדות הראשונה לאיזוטופים של יסוד יציב (לא רדיואקטיבי) בשנת 1912, כחלק מחקירתו את הרכב קרני התעלה (יונים חיוביים). הניסויים שלו לקביעת טבעם של חלקיקים טעונים חיובית, יחד עם פרנסיס ויליאם אסטון, היו השימוש הראשון בספקטרומטריית מסה והובילו לפיתוח ספקטרוגרף המסה.
תומסון היה מורה משפיע, ושבעה מתלמידיו זכו בפרסי נובל: ארנסט רתרפורד (כימיה 1908), לורנס בראג (פיזיקה 1915), צ'ארלס ברקלה (פיזיקה 1917), פרנסיס אסטון (כימיה 1922), צ'ארלס תומסון ריס וילסון (פיזיקה 1927), אוון ריצ'רדסון (פיזיקה 1928) ואדוארד אפלטון (פיזיקה 1947). בנו, ג'ורג' פאג'ט תומסון, חלק את פרס נובל לפיזיקה לשנת 1937 עם קלינטון דייוויסון "על גילויים הניסיוני של עקיפת אלקטרונים על ידי גבישים".
ביוגרפיה
ג'וזף ג'ון תומסון נולד ב-18 בדצמבר 1856 בצ'יתאם היל, מנצ'סטר. אמו, אמה סווינדלס, הגיעה ממשפחת טקסטיל מקומית. אביו, ג'וזף ג'יימס תומסון, ניהל חנות ספרים עתיקים שנוסדה על ידי סבא-רבא של תומסון. לג'וזף ג'ון היה אח, פרדריק ורנון תומסון, שהיה צעיר ממנו בשנתיים. תומסון היה אנגליקני מאופק אך אדוק.
### השכלה
השכלתו המוקדמת של תומסון הייתה בבתי ספר פרטיים קטנים שבהם הפגין כישרון יוצא דופן ועניין במדע. בשנת 1870, הוא התקבל לקולג' אוונס במנצ'סטר (כיום אוניברסיטת מנצ'סטר) בגיל הצעיר באופן חריג של 14, ונכנס תחת השפעתו של בלפור סטיוארט, פרופסור לפיזיקה, שהחל אותו במחקר פיזיקלי. הוא החל להתנסות בחשמול במגע ועד מהרה פרסם את מאמרו המדעי הראשון. הוריו תכננו לרשום אותו כשוליה כמהנדס בחברת Sharp, Stewart & Co, יצרנית קטרים, אך תוכניות אלו נקטעו כאשר אביו נפטר ב-1873.
בשנת 1876, תומסון עבר לטריניטי קולג', קיימברידג'. בשנת 1880, הוא קיבל תואר ראשון במתמטיקה (Second Wrangler בטריפוס ו-2nd Smith's Prizeman). הוא הגיש מועמדות והפך לעמית בטריניטי קולג' בשנה שלאחר מכן. הוא קיבל תואר שני (Adams Prizeman) בשנת 1883.
### קריירה
ב-22 בדצמבר 1884, תומסון מונה לפרופסור קוונדיש לפיזיקה באוניברסיטת קיימברידג'. מינוי זה עורר הפתעה רבה; מועמדים כמו אוסבורן ריינולדס וריצ'רד גלייזברוק היו מבוגרים ומנוסים יותר בעבודת מעבדה, בעוד שתומסון היה ידוע בעבודתו כמתמטיקאי – והוכר כבעל כישרון יוצא דופן.
תומסון קיבל תואר אבירות ב-1908 ומונה למסדר ההצטיינות ב-1912. באוקספורד, הוא נשא את הרצאת רומנס לשנת 1914 שכותרתה "התאוריה האטומית". בשנת 1918, הוא הפך למנהל טריניטי קולג', קיימברידג', תפקיד שבו החזיק עד מותו ב-30 באוגוסט 1940. אפרו טמון במנזר וסטמינסטר, ליד קבריהם של אייזק ניוטון ותלמידו לשעבר, ארנסט רתרפורד.
רתרפורד ירש אותו כפרופסור קוונדיש. שישה מעוזרי המחקר והקולגות הצעירים של תומסון (צ'ארלס גלובר ברקלה, נילס בוהר, מקס בורן, ויליאם הנרי בראג, אוון ויליאנס ריצ'רדסון וצ'ארלס תומסון ריס וילסון) זכו בפרס נובל לפיזיקה, ושניים (פרנסיס ויליאם אסטון וארנסט רתרפורד) זכו בפרס נובל לכימיה. בנו של תומסון, ג'ורג' פאג'ט תומסון, זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1937 על הוכחת התכונות הגליות של אלקטרונים.
מחקר
### עבודה מוקדמת
עבודת המאסטר עטורת הפרסים של תומסון, "מסה על תנועת טבעות מערבולת", מראה את העניין המוקדם שלו במבנה אטומי. בה, תומסון תיאר מתמטית את התנועות של תאוריית המערבולת של האטום של לורד קלווין.
תומסון פרסם מספר מאמרים העוסקים בסוגיות מתמטיות וניסיוניות של אלקטרומגנטיות. הוא בחן את התאוריה האלקטרומגנטית של האור של ג'יימס קלרק מקסוול, הציג את המושג של מסה אלקטרומגנטית של חלקיק טעון, והדגים שגוף טעון נע יגדיל לכאורה את מסתו.
חלק גדול מעבודתו במידול מתמטי של תהליכים כימיים יכול להיחשב ככימיה חישובית מוקדמת. בעבודה נוספת, שפורסמה בצורת ספר בשם "יישומים של דינמיקה לפיזיקה וכימיה" (1888), תומסון התייחס לטרנספורמציה של אנרגיה במונחים מתמטיים ותאורטיים, והציע שכל האנרגיה עשויה להיות קינטית. ספרו הבא, "הערות על מחקרים אחרונים בחשמל ומגנטיות" (1893), נבנה על ה"מסה על חשמל ומגנטיות" של מקסוול, ולעיתים כונה "הכרך השלישי של מקסוול". בו, תומסון הדגיש שיטות פיזיקליות וניסויים וכלל איורים ותרשימים נרחבים של מכשירים, כולל מספר כאלו למעבר חשמל דרך גזים. ספרו השלישי, "יסודות התאוריה המתמטית של חשמל ומגנטיות" (1895), היה מבוא קריא למגוון רחב של נושאים, וזכה לפופולריות רבה כספר לימוד.
סדרה של ארבע הרצאות, שניתנו על ידי תומסון בביקור באוניברסיטת פרינסטון ב-1896, פורסמו לאחר מכן כ"פריקת חשמל דרך גזים" (1897). הוא גם הציג סדרה של שש הרצאות באוניברסיטת ייל ב-1904.
### גילוי האלקטרון
מדענים מספר, כגון ויליאם פראוט ונורמן לוקייר, הציעו שאטומים בנויים מיחידה בסיסית יותר, אך הם דמיינו יחידה זו כגודלו של האטום הקטן ביותר, מימן. תומסון ב-1897 היה הראשון להציע שאחת היחידות הבסיסיות של האטום קטנה פי יותר מ-1,000 מאטום, ובכך הציע את החלקיק התת-אטומי הידוע כיום כאלקטרון. תומסון גילה זאת באמצעות חקירותיו על תכונות קרני הקתודה. תומסון העלה את הצעתו ב-30 באפריל 1897 בעקבות גילויו שקרני קתודה (באותה עת ידועות כקרני לנארד) יכולות לעבור דרך אוויר הרבה יותר רחוק מהצפוי עבור חלקיק בגודל אטום. הוא העריך את מסת קרני הקתודה על ידי מדידת החום שנוצר כאשר הקרניים פגעו בצומת תרמי והשוואת זאת עם הסטייה המגנטית של הקרניים. הניסויים שלו הציעו לא רק שקרני קתודה קלות פי יותר מ-1,000 מאטום המימן, אלא גם שמסתן זהה ללא קשר לסוג האטום שממנו הגיעו. הוא הגיע למסקנה שהקרניים מורכבות מחלקיקים קלים מאוד, טעונים שלילית, שהיו אבן בניין אוניברסלית של אטומים. הוא כינה את החלקיקים "קורפוסקולות" (גופיפים), אך מדענים מאוחרים יותר העדיפו את השם אלקטרון, שהוצע על ידי ג'ורג' ג'ונסטון סטוני ב-1891, לפני גילויו של תומסון.
באפריל 1897, לתומסון היו רק אינדיקציות מוקדמות לכך שניתן להסיט את קרני הקתודה חשמלית (חוקרים קודמים כגון היינריך הרץ חשבו שלא ניתן). חודש לאחר הודעתו של תומסון על הקורפוסקולה, הוא גילה שהוא יכול להסיט את הקרניים באופן אמין על ידי שדה חשמלי אם הוא מרוקן את שפופרת הפריקה ללחץ נמוך מאוד. על ידי השוואת הסטייה של אלומת קרני קתודה על ידי שדות חשמליים ומגנטיים הוא השיג מדידות חזקות יותר של יחס המסה-מטען שאישרו את הערכותיו הקודמות. זה הפך לאמצעי הקלאסי למדידת יחס המטען-מסה של האלקטרון. מאוחר יותר ב-1899 הוא מדד את מטען האלקטרון כ-6.8×10 יחידות אלקטרוסטטיות.
תומסון האמין שהקורפוסקולות הגיחו מאטומי גז העקבות בתוך שפופרות קרני הקתודה שלו. לפיכך הוא הגיע למסקנה שאטומים ניתנים לחלוקה, ושהקורפוסקולות הן אבני הבניין שלהם. בשנת 1904, תומסון הציע מודל של האטום, בהשערה שהוא כדור של חומר חיובי שבתוכו כוחות אלקטרוסטטיים קבעו את מיקומן של הקורפוסקולות. כדי להסביר את המטען הנייטרלי הכולל של האטום, הוא הציע שהקורפוסקולות מפוזרות בים אחיד של מטען חיובי. ב"מודל עוגת הצימוקים" הזה, האלקטרונים נתפסו כמשובצים במטען החיובי כמו צימוקים בעוגת צימוקים (אם כי במודל של תומסון הם לא היו נייחים, אלא חגים במהירות).
תומסון ביצע את הגילוי בערך באותו זמן שוולטר קאופמן ואמיל ויכרט גילו את יחס המסה למטען הנכון של קרני קתודה אלו (אלקטרונים).
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →השם אלקטרון אומץ עבור חלקיקים אלו על ידי הקהילה המדעית, בעיקר בשל תמיכתם של ג'ורג' פרנסיס פיצג'רלד, ג'וזף לרמור והנדריק לורנץ. המונח נטבע במקור על ידי ג'ורג' ג'ונסטון סטוני ב-1891 כשם זמני ליחידה הבסיסית של מטען חשמלי (שטרם התגלתה אז). במשך כמה שנים תומסון התנגד לשימוש במילה "אלקטרון" כי הוא לא אהב את האופן שבו פיזיקאים מסוימים דיברו על "אלקטרון חיובי" שהיה אמור להיות היחידה האלמנטרית של מטען חיובי בדיוק כפי ש"אלקטרון שלילי" הוא היחידה האלמנטרית של מטען שלילי. תומסון העדיף לדבוק במילה "קורפוסקולה" שאותה הגדיר בקפדנות כטעונה שלילית. הוא נכנע עד 1914, והשתמש במילה "אלקטרון" בספרו "התאוריה האטומית". בשנת 1920, רתרפורד ועמיתיו הסכימו לקרוא לגרעין של יון המימן "פרוטון", ובכך קבעו שם מובחן לחלקיק החומר הקטן ביותר הידוע בעל מטען חיובי (שיכול להתקיים באופן עצמאי בכל מקרה).
### איזוטופים וספקטרומטריית מסה
בשנת 1912, כחלק מחקירתו את הרכב זרמי החלקיקים הטעונים חיובית הידועים אז כקרני תעלה, תומסון ועוזר המחקר שלו, פ. ו. אסטון, תעלו זרם של יוני ניאון דרך שדה מגנטי ושדה חשמלי ומדדו את הסטייה שלו על ידי הנחת לוח צילום בדרכו. הם הבחינו בשני כתמי אור על לוח הצילום (ראו תמונה מימין), מה שהצביע על שתי פרבולות סטייה שונות, והגיעו למסקנה שהניאון מורכב מאטומים בעלי שתי מסות אטומיות שונות (ניאון-20 וניאון-22), כלומר משני איזוטופים. זו הייתה העדות הראשונה לאיזוטופים של יסוד יציב; פרדריק סודי הציע בעבר את קיומם של איזוטופים כדי להסביר את הדעיכה של יסודות רדיואקטיביים מסוימים.
הפרדת האיזוטופים של הניאון על ידי תומסון לפי מסתם הייתה הדוגמה הראשונה לספקטרומטריית מסה, אשר שופרה לאחר מכן ופותחה לשיטה כללית על ידי פ. ו. אסטון ועל ידי א. ג'. דמפסטר.
### ניסויים עם קרני קתודה
מוקדם יותר, פיזיקאים התווכחו האם קרני קתודה הן חסרות חומר כמו אור ("תהליך כלשהו באתר") או שהן "למעשה חומריות לחלוטין, ו... מסמנות את נתיבי החלקיקים של חומר הטעונים בחשמל שלילי", מצטט תומסון. השערת האתר הייתה מעורפלת, אך השערת החלקיקים הייתה מוגדרת מספיק כדי שתומסון יבדוק אותה.
סטייה מגנטית
תומסון חקר תחילה את הסטייה המגנטית של קרני קתודה. קרני קתודה נוצרו בצינור הצדדי משמאל למכשיר ועברו דרך האנודה לתוך צנצנת הפעמון הראשית, שם הן הוסטו על ידי מגנט. תומסון זיהה את נתיבן על ידי הפלואורסצנציה על מסך משובץ בצנצנת. הוא מצא שלא משנה מהו החומר של האנודה והגז בצנצנת, הסטייה של הקרניים הייתה זהה, מה שמרמז שהקרניים היו מאותו סוג ללא קשר למקורן.
מטען חשמלי
בעוד שתומכי תאוריית האתר קיבלו את האפשרות שחלקיקים טעונים שלילית נוצרים בשפופרות קרוקס, הם האמינו שהם תוצר לוואי בלבד ושהקרניים הקתודיות עצמן הן חסרות חומר. תומסון יצא לחקור האם הוא יכול באמת להפריד את המטען מהקרניים.
תומסון בנה שפופרת קרוקס עם אלקטרומטר שהוצב בצד, מחוץ לנתיב הישיר של קרני הקתודה. תומסון יכול היה לעקוב אחר נתיב הקרן על ידי התבוננות בכתם הזרחני שהיא יצרה במקום שבו פגעה במשטח השפופרת. תומסון הבחין שהאלקטרומטר רשם מטען רק כאשר הוא הסטה את קרן הקתודה אליו בעזרת מגנט. הוא הגיע למסקנה שהמטען השלילי והקרניים הם אחד ושניהם.
סטייה חשמלית
במאי-יוני 1897, תומסון חקר האם ניתן להסיט את הקרניים על ידי שדה חשמלי. ניסויים קודמים נכשלו בלהבחין בכך, אך תומסון האמין שהניסויים שלהם היו פגומים מכיוון שהשפופרות שלהם הכילו יותר מדי גז.
תומסון בנה שפופרת קרוקס עם ואקום טוב יותר. בתחילת השפופרת הייתה הקתודה שממנה הוקרנו הקרניים. הקרניים חודדו לאלומה על ידי שני חריצי מתכת – הראשון שבהם שימש גם כאנודה, השני חובר לאדמה. האלומה עברה לאחר מכן בין שני לוחות אלומיניום מקבילים, שיצרו שדה חשמלי ביניהם כאשר חוברו לסוללה. קצה השפופרת היה כדור גדול שבו האלומה הייתה פוגעת בזכוכית, ויוצרת כתם זוהר. תומסון הדביק סרגל למשטח הכדור הזה כדי למדוד את סטיית האלומה. כל אלומת אלקטרונים הייתה מתנגשת עם כמה אטומי גז שיוריים בתוך שפופרת קרוקס, ובכך מייננת אותם ומייצרת אלקטרונים ויונים בשפופרת (מטען חלל); בניסויים קודמים מטען חלל זה סינן חשמלית את השדה החשמלי שהופעל חיצונית. עם זאת, בשפופרת קרוקס של תומסון צפיפות האטומים השיוריים הייתה כה נמוכה שמטען החלל מהאלקטרונים והיונים לא הספיק כדי לסנן חשמלית את השדה החשמלי שהופעל חיצונית, מה שאפשר לתומסון להבחין בהצלחה בסטייה חשמלית.
כאשר הלוח העליון חובר לקוטב השלילי של הסוללה והלוח התחתון לקוטב החיובי, הכתם הזוהר נע כלפי מטה, וכאשר הקוטביות התהפכה, הכתם נע כלפי מעלה.
מדידת יחס מסה-מטען
בניסויו הקלאסי, תומסון מדד את יחס המסה-מטען של קרני הקתודה על ידי מדידת מידת הסטייה שלהן על ידי שדה מגנטי והשוואת זאת עם הסטייה החשמלית. הוא השתמש באותו מכשיר כמו בניסויו הקודם, אך הניח את שפופרת הפריקה בין הקטבים של אלקטרומגנט גדול. הוא מצא שיחס המסה-מטען היה נמוך פי יותר מאלף מזה של יון מימן (H), מה שמרמז או שהחלקיקים היו קלים מאוד ו/או טעונים מאוד. באופן משמעותי, הקרניים מכל קתודה הניבו את אותו יחס מסה-מטען. זה בניגוד לקרני אנודה (הידועות כיום כנובעות מיונים חיוביים הנפלטים מהאנודה), שבהן יחס המסה-מטען משתנה מאנודה לאנודה. תומסון עצמו נותר ביקורתי לגבי מה שעבודתו ביססה, בנאום קבלת פרס נובל שלו התייחס ל"קורפוסקולות" ולא ל"אלקטרונים".
ניתן לסכם את חישוביו של תומסון כדלקמן (בסימון המקורי שלו, תוך שימוש ב-F במקום E עבור השדה החשמלי וב-H במקום B עבור השדה המגנטי):
הסטייה החשמלית ניתנת על ידי
Θ
/
m
v
2
{\displaystyle \Theta =Fel/mv^{2}}
, כאשר Θ היא הסטייה החשמלית הזוויתית, F היא עוצמת החשמל המופעלת, e הוא המטען של חלקיקי קרני הקתודה, l הוא אורך הלוחות החשמליים, m היא המסה של חלקיקי קרני הקתודה ו-v היא המהירות של חלקיקי קרני הקתודה. הסטייה המגנטית ניתנת על ידי
ϕ
/
m
v
{\displaystyle \phi =Hel/mv}
, כאשר φ היא הסטייה המגנטית הזוויתית ו-H היא עוצמת השדה המגנטי המופעל.
Θ
/
m
v
2
=
/
m
{\displaystyle \Theta =\phi ,Fel/mv^{2}=Hel/mv}
. ניתן לפשט זאת כדי לתת
m
/
e=
H
2
l
/
F
{\displaystyle m/e=H^{2}l/F\Theta }
. הסטייה החשמלית נמדדה בנפרד כדי לתת Θ ו-H, F ו-l היו ידועים, כך שניתן היה לחשב את m/e.
מסקנות
> מכיוון שקרני הקתודה נושאות מטען של חשמל שלילי, מוסטות על ידי כוח אלקטרוסטטי כאילו היו מחושמלות שלילית, ופועל עליהן כוח מגנטי בדיוק בדרך שבה כוח זה היה פועל על גוף מחושמל שלילית הנע לאורך נתיב קרניים אלו, איני רואה מנוס מהמסקנה שהן מטענים של חשמל שלילי הנישאים על ידי חלקיקי חומר.
— ג'. ג'. תומסון
לגבי מקורם של חלקיקים אלו, תומסון האמין שהם הגיחו ממולקולות הגז בסביבת הקתודה.
> אם, בשדה החשמלי העז מאוד בסביבת הקתודה, מולקולות הגז מתפרקות ומתפצלות, לא לאטומים הכימיים הרגילים, אלא לאטומים ראשוניים אלו, שאותם נכנה בקיצור קורפוסקולות; ואם קורפוסקולות אלו טעונות בחשמל ומוקרנות מהקתודה על ידי השדה החשמלי, הן יתנהגו בדיוק כמו קרני הקתודה.
— ג'. ג'. תומסון
תומסון דמיין את האטום כעשוי מקורפוסקולות אלו החגות בים של מטען חיובי; זה היה מודל עוגת הצימוקים שלו. מודל זה הוכח מאוחר יותר כשגוי כאשר תלמידו ארנסט רתרפורד הראה שהמטען החיובי מרוכז בגרעין האטום.
### עבודה אחרת
בשנת 1905, תומסון גילה את הרדיואקטיביות הטבעית של אשלגן.
בשנת 1906, תומסון הדגים שלמימן היה רק אלקטרון בודד לכל אטום. תאוריות קודמות אפשרו מספרים שונים של אלקטרונים.
מ-1916 עד 1918, תומסון עמד בראש ה"וועדה שמונתה על ידי ראש הממשלה לחקור את מצב מדעי הטבע במערכת החינוך של בריטניה הגדולה". הדו"ח של הוועדה, שפורסם ב-1918, היה ידוע כדו"ח תומסון.
משפחה
בשנת 1890, תומסון התחתן עם רוז אליזבת פאג'ט בכנסיית סנט מרי הקטנה. רוז, שהייתה בתו של סר ג'ורג' אדוארד פאג'ט, רופא ואז פרופסור רגיוס לפיזיקה בקיימברידג', התעניינה בפיזיקה. החל משנת 1882, נשים יכלו להשתתף בהדגמות ובהרצאות באוניברסיטת קיימברידג'. רוז השתתפה בהדגמות ובהרצאות, ביניהן של תומסון, מה שהוביל למערכת היחסים ביניהם.
נולדו להם שני ילדים: ג'ורג' פאג'ט תומסון, שגם הוא זכה בפרס נובל על עבודתו על התכונות הגליות של האלקטרון; וג'ואן פאג'ט תומסון (לימים צ'רנוק), שהפכה לסופרת – כותבת ספרי ילדים, עיון וביוגרפיות.
הכרה
### חברויות
### פרסים
הנצחה
בנובמבר 1927, תומסון חנך את בניין תומסון, שנקרא על שמו, בבית הספר לייז, קיימברידג'.
בשנת 1991, התומסון (סמל: Th) הוצע כיחידה למדידת יחס מסה-מטען בספקטרומטריית מסה לכבודו.
שדרת ג'. ג'. תומסון, באתר מערב קיימברידג' של אוניברסיטת קיימברידג', קרויה על שם תומסון.
פרס מדליית תומסון, בחסות הקרן הבינלאומית לספקטרומטריית מסה, קרוי על שם תומסון.
מדליית ופרס ג'וזף תומסון של המכון לפיזיקה קרויים על שם תומסון.
סהר תומסון בדיפ ריבר, אונטריו, מתחבר לשדרת רתרפורד.