सर जोसेफ जॉन Thomson एक ब्रिटिश भौतिकविद् और भौतिकी में नोबेल पुरस्कार विजेता थे, जिन्हें इलेक्ट्रॉन की खोज का श्रेय दिया जाता है, जो खोजा जाने वाला पहला subatomic कण था।
1897 में, Thomson ने दिखाया कि cathode rays पहले से अज्ञात negatively charged particles से बने थे जिन्हें अब electrons कहा जाता है, जिन्हें उन्होंने calculate किया कि उनके bodies परमाणुओं से बहुत छोटे होने चाहिए और charge-to-mass ratio बहुत बड़ा होना चाहिए। Thomson को 1913 में एक stable non-radioactive element के isotopes के लिए पहले प्रमाण खोजने का भी श्रेय दिया जाता है, जो canal rays positive ions की composition की जांच के भाग के रूप में था। उनके द्वारा positively charged particles की प्रकृति को निर्धारित करने के लिए किए गए experiments, Francis William Aston के साथ, mass spectrometry का पहला उपयोग था और mass spectrograph के विकास की ओर ले गया।
Thomson को गैसों में electricity के conduction पर उनके काम के लिए 1906 Nobel Prize in Physics से सम्मानित किया गया था।
शिक्षा और व्यक्तिगत जीवन
Joseph John Thomson का जन्म 18 दिसंबर 1856 को Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, England में हुआ था। उनकी माता, Emma Swindells, एक स्थानीय textile family से आती थीं। उनके पिता, Joseph James Thomson, एक antiquarian bookshop चलाते थे जिसकी स्थापना Thomson के great-grandfather ने की थी। उनका एक भाई था, Frederick Vernon Thomson, जो उनसे दो साल छोटा था। J. J. Thomson एक reserved फिर भी devout Anglican थे।
उनकी प्रारंभिक शिक्षा छोटे निजी स्कूलों में हुई जहां उन्होंने science में असाधारण प्रतिभा और रुचि प्रदर्शित की। 1870 में, उन्हें असामान्य रूप से कम उम्र, 14 साल में Owens College in Manchester में प्रवेश दिया गया, जो अब University of Manchester है। उनके माता-पिता ने उन्हें Sharp-Stewart & Co, एक locomotive manufacturer, में एक apprentice engineer के रूप में नामांकित करने की योजना बनाई थी, लेकिन जब उनके पिता की मृत्यु 1873 में हुई तो ये योजनाएं रुक गईं।
वह 1876 में Trinity College, Cambridge चले गए। 1880 में, उन्होंने गणित में Bachelor of Arts degree प्राप्त की Second Wrangler in the Tripos और 2nd Smith's Prize। उन्होंने आवेदन किया और 1881 में Trinity College के Fellow बने। Thomson ने 1883 में Adams Prize के साथ अपनी Master of Arts degree प्राप्त की।
परिवार
1890 में, Thomson ने Rose Elisabeth Paget से विवाह किया। 1882 से शुरू करके, महिलाएं University of Cambridge में demonstrations और lectures में भाग ले सकती थीं। Rose Paget, Sir George Edward Paget की बेटी, एक physician और
फिर Cambridge में Regius Professor of Physic, St. Mary the Less के church में, physics में interested थीं। वह demonstrations और lectures में भाग लेती थीं, उनमें Thomson के भी। उनका संबंध वहां से विकसित हुआ। उनके दो बच्चे थे: George Paget Thomson, जिन्हें भी electron के wave properties पर उनके काम के लिए नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया था, और Joan Paget Thomson बाद में Charnock, जो एक author बनीं, जिन्होंने बच्चों की किताबें, non-fiction और biographies लिखीं।
करियर और अनुसंधान
अवलोकन
22 दिसंबर 1884 को, Thomson को University of Cambridge में Cavendish Professor of Physics नियुक्त किया गया था। इस नियुक्ति से काफी आश्चर्य हुआ, देखते हुए कि Osborne Reynolds या Richard Glazebrook जैसे candidates अधिक उम्र के और laboratory work में अधिक अनुभवी थे। Thomson अपने एक mathematician के रूप में काम के लिए जाने जाते थे, जहां उन्हें एक असाधारण प्रतिभा के रूप में मान्यता दी गई थी।
उन्हें 1906 में नोबेल पुरस्कार से सम्मानित किया गया, "गैसों द्वारा electricity के conduction पर उनके theoretical और experimental investigations की great merits के recognition में।" उन्हें 1908 में knighted किया गया और 1912 में Order of Merit में नियुक्त किया गया। 1914 में, उन्होंने Oxford में "The atomic theory" पर Romanes Lecture दिया। 1918 में, वह Trinity College, Cambridge के Master बने, जहां वह अपनी मृत्यु तक रहे। Joseph John Thomson का निधन 30 अगस्त 1940 को हुआ; उनकी राख Westminster Abbey में आराम करती है, Sir Isaac Newton और उनके पूर्व छात्र, Ernest Rutherford की कब्रों के पास।
Thomson का आधुनिक विज्ञान में सबसे बड़ा योगदान एक अत्यधिक gifted teacher के रूप में उनकी भूमिका में था। उनके छात्रों में से एक Ernest Rutherford था, जो बाद में Cavendish Professor of Physics के रूप में उनका अनुगमन करता था। Thomson के अलावा, उनके छह research assistants Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson और Charles Thomson Rees Wilson physics में नोबेल पुरस्कार जीते, और दो Francis William Aston और Ernest Rutherford chemistry में नोबेल पुरस्कार जीते। इसके अलावा, Thomson के पुत्र George Paget Thomson को electrons के wave-like properties को साबित करने के लिए 1937 में physics में नोबेल पुरस्कार मिला।
प्रारंभिक कार्य
Thomson का पुरस्कार विजेता master's work, Treatise on the motion of vortex rings, atomic structure में उनकी प्रारंभिक interest दिखाता है। इसमें, Thomson ने mathematical रूप से William Thomson के vortex theory of atoms की motions का वर्णन किया।
Thomson ने electromagnetism के mathematical और experimental दोनों मुद्दों को संबोधित करते हुए कई papers प्रकाशित किए। उन्होंने James Clerk Maxwell के electromagnetic theory of light की जांच की, charged particle के electromagnetic mass की concept introduced की, और दिखाया कि एक moving charged body स्पष्ट रूप से mass में increase होता है।
उनके chemical processes के mathematical modelling का अधिकांश काम early computational chemistry के रूप में सोचा जा सकता है। आगे के काम में, book form में प्रकाशित Applications of dynamics to physics and chemistry 1888, Thomson ने energy के transformation को mathematical और theoretical terms में संबोधित किया, सुझाव दिया कि सभी energy kinetic हो सकती है। उनकी अगली किताब, Notes on recent researches in electricity and magnetism 1893, Maxwell के Treatise upon electricity and magnetism पर आधारित थी, और कभी-कभी "the third volume of Maxwell" के रूप में referred की जाती थी। इसमें, Thomson ने physical methods और experimentation पर emphasis दिया और apparatus के extensive figures और diagrams शामिल किए, जिनमें से कई gases के through electricity के passage के लिए थे। उनकी तीसरी किताब, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism 1895 विषयों की एक wide variety का एक readable introduction था, और एक textbook के रूप में considerable popularity प्राप्त की।
चार lectures की एक series, 1896 में Princeton University के दौरे पर Thomson द्वारा दी गई, बाद में Discharge of electricity through gases 1897 के रूप में प्रकाशित की गई। Thomson ने 1904 में Yale University में छह lectures की एक series भी प्रस्तुत की।
इलेक्ट्रॉन की खोज
कई scientists, जैसे William Prout और Norman Lockyer, ने सुझाव दिया था कि atoms एक अधिक fundamental unit से बने थे, लेकिन उन्होंने इस unit को सबसे छोटे atom, hydrogen के size का माना। Thomson ने 1897 में पहली बार सुझाव दिया कि fundamental units में से एक एक atom से 1,000 गुना से अधिक छोटा था, subatomic particle को suggest करते हुए जिसे अब electron के रूप में जाना जाता है। Thomson ने cathode rays के properties पर अपनी explorations के through यह खोज की। Thomson ने 30 अप्रैल 1897 को अपना सुझाव दिया जिसके बाद उनकी खोज की कि cathode rays, जो उस समय Lenard rays के रूप में जाने जाते थे, एक atom-sized particle के लिए expected से बहुत अधिक दूरी तक air के through travel कर सकते थे। उन्होंने cathode rays के mass का अनुमान लगाया जो thermal junction को hit करता था, generated heat को measure करके और magnetic deflection के rays के साथ तुलना करके। उनके experiments ने न केवल suggest किया कि cathode rays hydrogen atom से 1,000 गुना से भी हल्के थे, बल्कि यह भी कि उनका mass जिस भी प्रकार के atom से आया था, वही था। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि rays बहुत light, negatively charged particles से बनी थीं जो atoms की एक universal building block थीं। उन्होंने particles को "corpuscles" कहा, लेकिन बाद के scientists को नाम electron पसंद आया जिसे George Johnstone Stoney ने 1891 में, Thomson की actual discovery से पहले, suggested किया था।
अप्रैल 1897 में, Thomson के पास केवल प्रारंभिक संकेत थे कि cathode rays को electrically deflect किया जा सकता है, पिछले investigators जैसे Heinrich Hertz ने सोचा था कि ऐसा नहीं हो सकता। Thomson की corpuscle की announcement के एक महीने बाद, उन्होंने पाया कि अगर वह discharge tube को बहुत कम pressure में evacuate करते हैं तो वह rays को reliably एक electric field द्वारा deflect कर सकते हैं। cathode rays के एक beam के deflection को electric और magnetic fields द्वारा compare करके उन्होंने mass-to-charge ratio के अधिक robust measurements प्राप्त किए जो उनके पिछले estimates की पुष्टि करते थे। यह electron के charge-to-mass ratio को measure करने का classic means बन गया। Charge को itself नहीं measure किया गया जब तक Robert A. Millikan का oil drop experiment 1909 में नहीं हुआ।
Thomson विश्वास करते थे कि corpuscles अपने cathode ray tubes के अंदर trace gas के atoms से निकले थे। उन्होंने इस प्रकार निष्कर्ष निकाला कि atoms divisible थे, और corpuscles उनके building blocks थे। 1904 में, Thomson ने atom का एक model suggest किया, hypothesizing करते हुए कि यह positive matter का एक sphere था जिसके अंदर electrostatic forces corpuscles की positioning determine करते थे। atom के overall neutral charge को explain करने के लिए, उन्होंने propose किया कि corpuscles एक uniform sea of positive charge में distributed थे। इस "plum pudding model" में, electrons को positive charge में embedded देखा जाता था जैसे plum pudding में raisins यद्यपि Thomson के model में वे stationary नहीं थे, बल्कि rapidly orbiting थे।
Thomson ने लगभग उसी समय discovery की कि Walter Kaufmann और Emil Wiechert ने इन cathode rays electrons के correct mass to charge ratio की खोज की।
Isotopes और mass spectrometry
1912 में, positively charged particles के streams की composition की जांच में अपनी exploration के भाग के रूप में जो तब canal rays के रूप में जाने जाते थे, Thomson और उनके research assistant F. W. Aston ने neon ions के एक stream को एक magnetic और एक electric field के through channel किया और photographic plate को इसके path में रखकर इसके deflection को measure किया। उन्होंने photographic plate पर light के two patches observe किए देखें दाईं ओर की image, जो deflection के two different parabolas suggest करते थे, और concluded कि neon दो different atomic masses के atoms से composed है neon-20 और neon-22, अर्थात दो isotopes। यह एक stable element के isotopes के लिए पहला evidence था; Frederick Soddy ने पहले certain radioactive elements के decay को explain करने के लिए isotopes के existence को propose किया था।
J. J. Thomson का neon isotopes का separation by their mass mass spectrometry का पहला उदाहरण था, जिसे subsequently F. W. Aston और A. J. Dempster द्वारा improved और एक general method में developed किया गया।
Cathode rays के साथ Experiments
पहले, physicists ने debate किया कि क्या cathode rays immaterial थे जैसे light "some process in the aether" या "in fact wholly material, और ... mark the paths of particles of matter charged with negative electricity", Thomson को quote करते हुए। Aetherial hypothesis vague था, लेकिन particle hypothesis definite enough था Thomson के लिए test करने के लिए।
Magnetic deflection
Thomson ने पहले cathode rays के magnetic deflection की जांच की। Cathode rays apparatus के left side tube में produce किए गए थे और anode के through passed किए गए थे main bell jar में, जहां वे एक magnet द्वारा deflect किए गए थे। Thomson ने jar में एक squared screen पर fluorescence से उनके path को detect किया। उन्होंने पाया कि anode की material और jar में gas कुछ भी हो, rays के deflection एक जैसे थे, suggesting करते हुए कि rays अपने origin से कुछ भी हो, same form के थे।
Electrical charge
Aetherial theory के supporters ने Crookes tubes में negatively charged particles के produce होने की possibility को स्वीकार किया, Thomson ने यह जांचने के लिए निकल पड़े कि क्या वह वास्तव में rays से charge को separate कर सकते हैं।
Thomson ने एक Crookes tube का निर्माण किया जिसमें एक electrometer एक side को, cathode rays के direct path से बाहर, set किया गया था। Thomson phosphorescent patch को observe करके ray के path को trace कर सकते थे जो इसे tube की surface पर hit करता था। Thomson ने observe किया कि electrometer केवल तब एक charge register करता था जब उन्होंने एक magnet के साथ cathode ray को इसे deflect किया। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि negative charge और rays एक ही थे।
Electrical deflection
मई-जून 1897 में, Thomson ने यह जांचा कि क्या rays को एक electric field द्वारा deflect किया जा सकता है। पिछले experimenters ने यह observe करने में विफल रहे थे, लेकिन Thomson विश्वास करते थे कि उनके experiments flawed थे क्योंकि उनके tubes में बहुत ज्यादा gas था।
Thomson ने एक बेहतर vacuum के साथ एक Crookes tube का निर्माण किया। Tube की शुरुआत में cathode था जिससे rays project किए गए थे। Rays को two metal slits द्वारा एक beam में शarpened किया गया – इनमें से पहला slit anode के रूप में दोहराया गया, दूसरा earth के साथ connected था। Beam फिर दो parallel aluminium plates के बीच से pass किया गया, जो जब उन्हें एक battery के साथ connect किया गया तो उनके बीच एक electric field produce करते थे। Tube का अंत एक बड़ा sphere था जहां beam glass पर impact करता था, एक glowing patch create करता था। Thomson ने beam के deflection को measure करने के लिए इस sphere की surface पर एक scale paste किया।
