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约瑟夫·汤姆森 |
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约瑟夫·汤姆孙爵士，OM，FRS（Sir Joseph John Thomson，1856年12月18日－1940年8月30日，简称J.J.Thomson）[1]，英国物理学家，诺贝尔物理学奖获得主， 他发现了电子并测定了其质荷比，这是第一个被发现的亚原子粒子。
1897年，汤姆孙表明，阴极射线由以前未知的带负电粒子（现称为电子）组成，他计算出这种粒子必须比原子小得多，并且有非常大的质荷比。 汤姆孙在1913年也发现了稳定（非放射性）元素同位素的第一个证据，这是他在探索阳极射线（正离子）的过程中的成果之一。 他与弗朗西斯·阿斯顿一起确定带正电粒子的性质的实验是质谱法的第一次使用，并导致了质谱仪的发展。
汤姆孙因其在气体导电方面的工作而被授予1906年诺贝尔物理学奖[2]。
教育和个人生活
汤姆孙1856年出生于英格兰的曼彻斯特附近，苏格兰人家庭。1870年，他在不寻常年轻的14岁就被录取在曼彻斯特的欧文学院（现在的曼彻斯特维多利亚大学）学习了工程学，搬到了剑桥大学三一学院。1884年12月22日，他被任命成为剑桥大学卡文迪许物理学教授[3]，即卡文迪许实验室主任[4]。他的学生之一是欧内斯特·卢瑟福，卢瑟福于1919年接替汤姆孙就任卡文迪许物理学教授。
受到詹姆斯·麦克斯韦工作的影响和X射线的发现，他推导出阴极射线（参见阴极射线管）存在于带负电的粒子，他称之为“微粒”，这种微粒现在认识为电子。电子曾经被约翰斯东·斯通尼提出过，作为电化学中电荷的单位，但是汤姆孙认识到电子也是亚原子粒子，这一点是第一次被发现。1897年他的发现为人所知，并在科学圈内引起了轰动，并最终于1906年被授予诺贝尔物理学奖。
家庭
1890年，汤姆孙娶了罗丝·佩杰特（Rose Elisabeth Paget），他的前学生之一[5] 。她是乔治·爱德华·佩杰特爵士的女儿（乔治·爱德华·佩杰特，英国剑桥医学教授兼医师。）他们有一个儿子乔治·汤姆孙，和一个女儿（Joan Paget Thomson）。极富戏剧性的是，他的儿子乔治·汤姆孙后来因证实电子是一种波而被授予诺贝尔物理学奖。（参见波粒二象性）
成就
发现电子
在汤姆孙以前，威廉·普朗特、诺曼·洛克耶等数名科学家就曾提出原子应该是由更基本的单元所组成，他们假设这个基本单元应与最轻的原子，氢原子有相同的大小。汤姆孙在1897年首先提出小于原子1000倍的亚原子粒子，也就是现在所称的电子。这项发现源自于汤姆孙对阴极射线性质的研究。在汤姆孙发现阴极射线(在当时被称为莱纳德射线)在空气中行走的距离较于原子大小的粒子的所做预测还要更远之后，1897年4月30日，他借由测量阴极射线碰撞产生的热与阴极射线的磁偏转，估算出阴极射线的质量。实验结果显示阴极射线较氢原子轻1000倍，而且不论何种原子产生的阴极射线都有一样的质量。汤姆孙判断阴极射线是由非常轻且带负电的粒子组成，而且是构成原子的普遍材料。他当时称这粒子为“corpuscles”，然而而后的学界多使用“electron”称呼电子，这个词由乔治·斯托尼于1891年提出，早于汤姆孙实际发现电子。
在1897年4月，汤姆孙仅初步怀疑阴极射线可受电场偏转（以往的研究者如海因里希·赫兹以为它们不会偏转）。在汤姆孙提出了电子的一个月后，他发现将如果将阴极射线的放电管抽到非常低压的状态时，可以更有效的使阴极射线偏转。借由电场与磁场的偏转，汤姆孙得以计算出电子的质荷比，并证实他之前的估计。这也成为测定电子质荷比的著名方法。（电子电荷的测量要到1909年罗伯特·密立根油滴实验。）
汤姆孙认为电子是从阴极射线管中的微量气体发射出来的，他从而断定原子是可分割的，电子就是原子的组成成分之一。1904年，汤姆孙提出梅子布丁模型，假设原子是带正电的球体物质与其中的电子组成，为了解释原子的电中性性质，电子分布在均匀的正电海中。
同位素与质谱法
1912年，在汤姆森研究阳极射线的过程中，他和他的研究助理弗朗西斯·阿斯顿引导氖离子流经过磁场和电场，并且藉著在路径上放置感光板测量离子流的偏转程度。他们观察到感光板上有两条曝光（如右图），这说明氖离子流是由两个不同的原子量的原子（分别是氖-20和氖-22）所组成的，也就是说此两种不同的原子为同位素。弗雷德里克·索迪曾提出过同位素的存在可以解释某些放射性物质的衰变，以上实验首次证实稳定元素亦存在同位素。
约瑟夫.汤姆森透过质量分离氖离子流而发现氖同位素是质谱法的第一个实例，随后这个方法经由阿斯顿和阿瑟·登普斯特一同改善并且发展成普遍的方法。
其他
在1906年，汤姆孙证明了每一个氢原子只有一个电子。以前的理论中允许氢原子有不同数量的电子[7]。
阴极射线实验
磁偏转
汤姆森首先研究有关阴极射线的磁偏转。阴极射线是产生于装置左边的侧管，并且借由磁铁的偏转使阴极射线由阳极传递装置的主钟罩。汤姆森透过检测装置中方形屏幕上的萤光路径，他发现无论是在阳极或是在装置内的气体材料，光线的偏转都会是相同的，而这也说明了阴极射线无论它的来源为何它都是相同的形式。
实验证明阴极射线是带电的
阴极射线是否带电在早期造成了两大学派的争论，分别是认为阴极射线是电磁波的乙太说以及认为阴极射线是由带负电的微粒组成的带电微粒说。两大学派经由实验证明各自学派的主张，而最后由法国物理学家让·佩兰与汤姆森证实了阴极射线是带有电荷的。
实验主要是由汤姆森改良佩兰教授的实验，他将联接到静电计的电荷接收器安置在真空管的一侧，接著利用磁场使射线偏转，磁场增加至一定程度的时候，接收器接收到的电荷会突然遽增，这说明了这些电荷的产生来自于阴极射线，也因此驳回了以太说的主张，证实了阴极射线带有电荷。
电偏转
1897年5月至6月，汤姆孙研究了光线是否可以被电场偏转。 以前的实验者没有观察到这一点，但汤姆孙认为他们的实验是有缺陷的，因为他们的管子含有太多的气体。
参考文献
- ↑ Rayleigh. Joseph John Thomson. 1856-1940. Obituary Notices of Fellows of the Royal Society. 1941, 3 (10): 586–609. doi:10.1098/rsbm.1941.0024.
- ↑ J.J. Thomson - Biographical. The Nobel Prize in Physics 1906. The Nobel Foundation. [11 February 2015].
- ↑ Joseph John "J. J." Thomson. Science History Institute. June 2016 [20 March 2018].
- ↑ Joseph John Thomson. Chemical Heritage Foundation. [18 November 2013].
- ↑ The Biographical Dictionary of Women in Science: L-Z by By Marilyn Bailey Ogilvie and Joy Dorothy Harvey, Taylor & Francis, p.972
- ↑ Thomson, J. J. On the emission of negative corpuscles by the alkali metals. Philosophical Magazine. Series 6. 1905, 10 (59): 584–590. doi:10.1080/14786440509463405.
- ↑ Thomson, J. J. On the Number of Corpuscles in an Atom. Philosophical Magazine. June 1906, 11 (66): 769–781 [4 October 2008]. doi:10.1080/14786440609463496. （原始内容存档于19 December 2007）.