JJ Thomson
Sir Joseph John Thomson OM PRS (18 de diciembre de 1856 – 30 de agosto de 1940) fue un físico británico y Premio Nobel de Física, al que se atribuye el descubrimiento del electrón, la primera partícula subatómica descubierta.
En 1897, Thomson demostró que los rayos catódicos estaban compuestos de partículas cargadas negativamente desconocidas anteriormente (ahora llamadas electrones), que calculó que debían tener cuerpos mucho más pequeños que los átomos y una relación carga-masa muy grande. A Thomson también se le atribuye haber encontrado la primera evidencia de isótopos de un elemento estable (no radiactivo) en 1913, como parte de su exploración de la composición de los rayos del canal (iones positivos). Sus experimentos para determinar la naturaleza de las partículas cargadas positivamente, con Francis William Aston, fueron el primer uso de la espectrometría de masas y condujeron al desarrollo del espectrógrafo de masas.
Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por su trabajo sobre la conducción de la electricidad en los gases. Thomson también fue maestro, y varios de sus alumnos también ganaron premios Nobel.
Educación y vida personal
Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Inglaterra. Su madre, Emma Swindells, provenía de una familia textil local. Su padre, Joseph James Thomson, dirigía una librería de antigüedades fundada por el bisabuelo de Thomson. Tenía un hermano, Frederick Vernon Thomson, dos años menor que él. J. J. Thomson era un anglicano reservado pero devoto.
Su primera educación fue en pequeñas escuelas privadas donde demostró un talento e interés sobresalientes por la ciencia. En 1870, fue admitido en el Owens College de Manchester (ahora Universidad de Manchester) a la inusualmente temprana edad de 14 años y estuvo bajo la influencia de Balfour Stewart, profesor de física, quien inició a Thomson en la investigación física. Thomson comenzó a experimentar con la electrificación por contacto y pronto publicó su primer artículo científico. Sus padres planeaban inscribirlo como aprendiz de ingeniero en Sharp, Stewart & Co, un fabricante de locomotoras, pero estos planes se vieron truncados cuando su padre murió en 1873.
Se mudó al Trinity College, Cambridge, en 1876. En 1880, obtuvo su licenciatura en matemáticas (Second Wrangler in the Tripos y 2nd Smith's Prize). Solicitó y se convirtió en miembro del Trinity College en 1881. Thomson recibió su Maestría en Artes (con el Premio Adams) en 1883.
Familia
En 1890, Thomson se casó con Rose Elisabeth Paget. A partir de 1882, las mujeres podían asistir a demostraciones y conferencias en la Universidad de Cambridge. Rose Paget, hija de Sir George Edward Paget, médico y luego profesor Regius de Física en Cambridge en la iglesia de St. Mary the Less, estaba interesada en la física. Asistió a demostraciones y conferencias, entre ellas la de Thomson. Su relación se desarrolló a partir de ahí.
Tuvieron dos hijos: George Paget Thomson, quien también recibió un Premio Nobel por su trabajo sobre las propiedades ondulatorias del electrón, y Joan Paget Thomson (más tarde Charnock), quien se convirtió en autora y escribió libros para niños. libros, no ficción y biografías.
Carrera e investigación
Resumen
El 22 de diciembre de 1884, Thomson fue nombrado Profesor Cavendish de Física en la Universidad de Cambridge. El nombramiento causó bastante sorpresa, dado que candidatos como Osborne Reynolds o Richard Glazebrook eran mayores y más experimentados en el trabajo de laboratorio. Thomson fue conocido por su trabajo como matemático, donde fue reconocido como un talento excepcional.
Fue galardonado con el Premio Nobel en 1906, "en reconocimiento a los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de la electricidad por los gases". Fue nombrado caballero en 1908 y nombrado miembro de la Orden del Mérito en 1912. En 1914, pronunció la Conferencia Romanes en Oxford sobre "La teoría atómica". En 1918, se convirtió en maestro del Trinity College de Cambridge, donde permaneció hasta su muerte. Joseph John Thomson murió el 30 de agosto de 1940; sus cenizas descansan en la Abadía de Westminster, cerca de las tumbas de Sir Isaac Newton y su antiguo alumno, Ernest Rutherford.
Uno de los estudiantes de Thomson fue Ernest Rutherford, quien más tarde lo sucedió como profesor de física Cavendish. Seis de los asistentes de investigación y colegas jóvenes de Thomson (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson y Charles Thomson Rees Wilson) ganaron premios Nobel de física, y dos (Francis William Aston y Ernest Rutherford) ganó premios Nobel de química. El hijo de Thomson (George Paget Thomson) también ganó el Premio Nobel de física en 1937 por probar las propiedades ondulatorias de los electrones.
Trabajo temprano
La obra de maestría ganadora del premio de Thomson, Tratado sobre el movimiento de los anillos de vórtice, muestra su temprano interés en la estructura atómica. En él, Thomson describió matemáticamente los movimientos de la teoría del vórtice de los átomos de William Thomson.
Thomson publicó una serie de artículos que abordan problemas matemáticos y experimentales del electromagnetismo. Examinó la teoría electromagnética de la luz de James Clerk Maxwell, introdujo el concepto de masa electromagnética de una partícula cargada y demostró que un cuerpo cargado en movimiento aparentemente aumentaría de masa.
Gran parte de su trabajo en el modelado matemático de procesos químicos se puede considerar como química computacional temprana. En un trabajo posterior, publicado en forma de libro como Aplicaciones de la dinámica a la física y la química (1888), Thomson abordó la transformación de la energía en términos matemáticos y teóricos, sugiriendo que toda energía podría ser cinética. Su siguiente libro, Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo (1893), se basó en el Tratado sobre la electricidad y el magnetismo de Maxwell, y a veces se lo denomina & #34;el tercer volumen de Maxwell". En él, Thomson enfatizó los métodos físicos y la experimentación e incluyó extensas figuras y diagramas de aparatos, incluido un número para el paso de electricidad a través de gases. Su tercer libro, Elementos de la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo (1895), fue una introducción legible a una amplia variedad de temas y alcanzó una popularidad considerable como libro de texto.
Una serie de cuatro conferencias, impartidas por Thomson en una visita a la Universidad de Princeton en 1896, se publicaron posteriormente como Descarga de electricidad a través de gases (1897). Thomson también presentó una serie de seis conferencias en la Universidad de Yale en 1904.
Descubrimiento del electrón
Varios científicos, como William Prout y Norman Lockyer, sugirieron que los átomos se construyeron a partir de una unidad más fundamental, pero imaginaron que esta unidad tendría el tamaño del átomo más pequeño, el hidrógeno. Thomson en 1897 fue el primero en sugerir que una de las unidades fundamentales del átomo era más de 1000 veces más pequeña que un átomo, sugiriendo la partícula subatómica ahora conocida como electrón. Thomson descubrió esto a través de sus exploraciones sobre las propiedades de los rayos catódicos. Thomson hizo su sugerencia el 30 de abril de 1897 luego de su descubrimiento de que los rayos catódicos (en ese momento conocidos como rayos de Lenard) podían viajar mucho más lejos a través del aire de lo esperado para una partícula del tamaño de un átomo. Estimó la masa de los rayos catódicos midiendo el calor generado cuando los rayos golpean una unión térmica y comparándolo con la desviación magnética de los rayos. Sus experimentos sugirieron no solo que los rayos catódicos eran más de 1000 veces más ligeros que el átomo de hidrógeno, sino también que su masa era la misma en cualquier tipo de átomo del que provinieran. Llegó a la conclusión de que los rayos estaban compuestos de partículas muy ligeras cargadas negativamente que eran un bloque de construcción universal de átomos. Llamó a las partículas "corpúsculos", pero los científicos posteriores prefirieron el nombre electrón que había sido sugerido por George Johnstone Stoney en 1891, antes del descubrimiento real de Thomson.
En abril de 1897, Thomson solo tenía indicaciones preliminares de que los rayos catódicos podían desviarse eléctricamente (investigadores anteriores, como Heinrich Hertz, habían pensado que no era posible). Un mes después del anuncio de Thomson sobre el corpúsculo, descubrió que podía desviar los rayos de manera confiable mediante un campo eléctrico si evacuaba el tubo de descarga a una presión muy baja. Al comparar la desviación de un haz de rayos catódicos por campos eléctricos y magnéticos, obtuvo mediciones más sólidas de la relación masa-carga que confirmaron sus estimaciones anteriores. Este se convirtió en el medio clásico de medir la relación carga-masa del electrón. (La carga en sí no se midió hasta el experimento de la gota de aceite de Robert A. Millikan en 1909).
Thomson creía que los corpúsculos surgían de los átomos del gas traza dentro de sus tubos de rayos catódicos. Por lo tanto, concluyó que los átomos eran divisibles y que los corpúsculos eran sus bloques de construcción. En 1904, Thomson sugirió un modelo del átomo, con la hipótesis de que era una esfera de materia positiva dentro de la cual las fuerzas electrostáticas determinaban el posicionamiento de los corpúsculos. Para explicar la carga neutra global del átomo, propuso que los corpúsculos estuvieran distribuidos en un mar uniforme de carga positiva. En este 'modelo de pudín de ciruelas', los electrones se veían incrustados en la carga positiva como pasas en un pudín de ciruelas (aunque en el modelo de Thomson no estaban estacionarios, sino que orbitaban rápidamente).
Thomson hizo el descubrimiento casi al mismo tiempo que Walter Kaufmann y Emil Wiechert descubrieron la relación masa-carga correcta de estos rayos catódicos (electrones).
Isótopos y espectrometría de masas
En 1912, como parte de su exploración de la composición de las corrientes de partículas con carga positiva entonces conocidas como rayos de canal, Thomson y su asistente de investigación F. W. Aston canalizaron una corriente de iones de neón a través de un campo magnético y eléctrico y midieron su desviación colocando una placa fotográfica en su camino. Observaron dos manchas de luz en la placa fotográfica (ver imagen a la derecha), que sugerían dos parábolas de desviación diferentes, y concluyeron que el neón está compuesto por átomos de dos masas atómicas diferentes (neón-20 y neón-22), es decir decir de dos isótopos. Esta fue la primera evidencia de isótopos de un elemento estable; Frederick Soddy había propuesto previamente la existencia de isótopos para explicar la descomposición de ciertos elementos radiactivos.
J. La separación de isótopos de neón por su masa de J. Thomson fue el primer ejemplo de espectrometría de masas, que posteriormente fue mejorada y desarrollada en un método general por F. W. Aston y por A. J. Dempster.
Experimentos con rayos catódicos
Anteriormente, los físicos debatieron si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz ("algún proceso en el éter") o eran "de hecho totalmente materiales, y... marcan los caminos de las partículas de materia cargado con electricidad negativa", citando a Thomson. La hipótesis etérea era vaga, pero la hipótesis de la partícula era lo suficientemente definida como para que Thomson la probara.
Desviación magnética
Thomson primero investigó la desviación magnética de los rayos catódicos. Los rayos catódicos se producían en el tubo lateral a la izquierda del aparato y pasaban a través del ánodo hacia la campana principal, donde eran desviados por un imán. Thomson detectó su camino por la fluorescencia en una pantalla cuadrada en el frasco. Encontró que cualquiera que sea el material del ánodo y el gas en el frasco, la desviación de los rayos era la misma, lo que sugiere que los rayos tenían la misma forma cualquiera que sea su origen.
Carga eléctrica
Aunque los partidarios de la teoría etérea aceptaban la posibilidad de que se produjeran partículas cargadas negativamente en los tubos de Crookes, creían que eran un mero subproducto y que los rayos catódicos en sí eran inmateriales. Thomson se dispuso a investigar si podía o no separar la carga de los rayos.
Thomson construyó un tubo de Crookes con un electrómetro colocado a un lado, fuera del camino directo de los rayos catódicos. Thomson pudo seguir la trayectoria del rayo al observar el parche fosforescente que creaba donde golpeaba la superficie del tubo. Thomson observó que el electrómetro registraba una carga solo cuando desviaba el rayo catódico con un imán. Llegó a la conclusión de que la carga negativa y los rayos eran uno y lo mismo.
Desviación eléctrica
En mayo y junio de 1897, Thomson investigó si los rayos podían ser desviados por un campo eléctrico. Los experimentadores anteriores no habían observado esto, pero Thomson creía que sus experimentos tenían fallas porque sus tubos contenían demasiado gas.
Thomson construyó un tubo de Crookes con un mejor vacío. Al comienzo del tubo estaba el cátodo desde el cual se proyectaban los rayos. Los rayos se agudizaron en un haz mediante dos rendijas de metal: la primera de estas rendijas se duplicó como ánodo, la segunda estaba conectada a tierra. Luego, el haz pasó entre dos placas de aluminio paralelas, que produjeron un campo eléctrico entre ellas cuando se conectaron a una batería. El final del tubo era una gran esfera donde el rayo impactaba en el vidrio, creando un parche brillante. Thomson pegó una escala en la superficie de esta esfera para medir la desviación del rayo. Cualquier haz de electrones chocaría con algunos átomos de gas residual dentro del tubo de Crookes, ionizándolos y produciendo electrones e iones en el tubo (carga espacial); en experimentos anteriores, esta carga espacial apantallaba eléctricamente el campo eléctrico aplicado externamente. Sin embargo, en el tubo de Crookes de Thomson, la densidad de los átomos residuales era tan baja que la carga espacial de los electrones y los iones era insuficiente para proteger eléctricamente el campo eléctrico aplicado externamente, lo que permitió a Thomson observar con éxito la desviación eléctrica.
Cuando la placa superior se conectó al polo negativo de la batería y la placa inferior al polo positivo, el parche brillante se movió hacia abajo y cuando se invirtió la polaridad, el parche se movió hacia arriba.
Medición de la relación masa-carga
En su experimento clásico, Thomson midió la relación masa-carga de los rayos catódicos midiendo cuánto fueron desviados por un campo magnético y comparándolo con la desviación eléctrica. Usó el mismo aparato que en su experimento anterior, pero colocó el tubo de descarga entre los polos de un gran electroimán. Descubrió que la relación masa-carga era más de mil veces menor que la de un ion de hidrógeno (H+), lo que sugiere que las partículas eran muy ligeras y /o muy cargado. Significativamente, los rayos de cada cátodo produjeron la misma relación masa-carga. Esto contrasta con los rayos del ánodo (ahora se sabe que surgen de los iones positivos emitidos por el ánodo), donde la relación masa-carga varía de ánodo a ánodo. El propio Thomson se mantuvo crítico con lo que establecía su trabajo, en su discurso de aceptación del Premio Nobel refiriéndose a los 'corpúsculos'; en lugar de "electrones".
Los cálculos de Thomson se pueden resumir de la siguiente manera (en su notación original, usando F en lugar de E para el campo eléctrico y H en lugar de B para el campo magnético):
La deflexión eléctrica es dada por .. =Fel/mv2{displaystyle Theta =Fel/mv^{2}}, donde es la deflexión eléctrica angular, F es la intensidad eléctrica aplicada, e es la carga de las partículas de rayos catode, l es la longitud de las placas eléctricas, m es la masa de las partículas de rayos catode y v es la velocidad de las partículas de rayos catode. La deflexión magnética es dada por φ φ =Hel/mv{displaystyle phi =Hel/mv}, donde φ es la deflexión magnética angular y H es la intensidad de campo magnético aplicada.
El campo magnético fue variado hasta que las deflecciones magnéticas y eléctricas fueron las mismas, cuando .. =φ φ ,Fel/mv2=Hel/mv{displaystyle Theta =phiFel/mv^{2}=Hel/mv}. Esto puede ser simplificado para dar m/e=H2l/F.. {displaystyle m/e=H^{2}l/F Theta.. La deflexión eléctrica se midió por separado para dar Despierta y H, F y l fueron conocidos, por lo que m/e podría ser calculado.
Conclusiones
A medida que los rayos de cátodo llevan una carga de electricidad negativa, son desviados por una fuerza electrostática como si fueran electrificadas negativamente, y son operados por una fuerza magnética en la forma en que esta fuerza actuaría en un cuerpo negativamente electrificado que se mueve por el camino de estos rayos, no puedo ver escape de la conclusión de que son cargos de electricidad negativa transportados por partículas de materia.
—J. J. Thomson
En cuanto al origen de estas partículas, Thomson creía que surgían de las moléculas de gas en la vecindad del cátodo.
Si, en el campo eléctrico muy intenso en el barrio de la cátodo, las moléculas del gas se disocian y se dividen, no en los átomos químicos ordinarios, sino en estos átomos primordiales, que por breve llamaremos cuerpos; y si estos cuerpos se cargan con electricidad y se proyectan desde la cátodo por el campo eléctrico, se comportarían exactamente como los rayos de cátodo.
—J. J. Thomson
Thomson imaginó que el átomo estaba formado por estos corpúsculos orbitando en un mar de carga positiva; este era su modelo de budín de ciruelas. Posteriormente se demostró que este modelo era incorrecto cuando su alumno Ernest Rutherford demostró que la carga positiva se concentra en el núcleo del átomo.
Otro trabajo
En 1905, Thomson descubrió la radiactividad natural del potasio.
En 1906, Thomson demostró que el hidrógeno tenía solo un electrón por átomo. Las teorías anteriores permitían varios números de electrones.
Premios y distinciones
Durante su vida
Thomson fue elegido miembro de la Royal Society (FRS) y designado para la Cátedra Cavendish de Física Experimental en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge en 1884. Thomson ganó numerosos premios y honores durante su carrera, entre ellos:
- Premio Adams (1882)
- Medalla Real (1894)
- Hughes Medal (1902)
- Medalla Hodgkins (1902)
- Premio Nobel de Física (1906)
- Medalla Elliott Cresson (1910)
- Medalla Copley (1914)
- Franklin Medal (1922)
Thomson fue elegido miembro de la Royal Society el 12 de junio de 1884 y se desempeñó como presidente de la Royal Society desde 1915 hasta 1920.
En noviembre de 1927, J. J. Thomson inauguró el edificio Thomson, llamado así en su honor, en Leys School, Cambridge.
Honores póstumos
En 1991, se propuso el thomson (símbolo: Th) como unidad para medir la relación masa-carga en espectrometría de masas en su honor.
J J Thomson Avenue, en el sitio de West Cambridge de la Universidad de Cambridge, lleva el nombre de Thomson.
El Premio Medalla Thomson, patrocinado por la Fundación Internacional de Espectrometría de Masas, lleva el nombre de Thomson.
La Medalla y Premio Joseph Thomson del Instituto de Física lleva el nombre de Thomson.