Джозеф джон томсон краткая биография. Открытие электрона: Джозеф Джон Томсон Томсон что открыл
О научном «отце» Резерфорда и многих других нобелевских лауреатов, научном «дедушке» Капицы, человеке, открывшем первую в истории человечества элементарную частицу, классическом английском физике рассказывает наш сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».
Сэр Джозеф Джон Томсон
Нобелевская премия по физике 1906 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В признание огромного вклада в теоретические и экспериментальные исследования проводимости газов».
Наш нынешний персонаж кажется неординарным даже на фоне «обычного» нобелевского лауреата. Начнем с того, что семь его «научных сыновей» тоже стали нобелиатами (до пяти таких премий он дожил). Как и многие его «научные внуки», например Петр Капица. Стал нобелевским лауреатом и его родной сын, причем в связи с той же элементарной частицей, которую открыл наш герой. Догадались? Ну конечно же… Встречайте - JJ. И это не псевдоним какого-то рэпера, здесь старая добрая Англия. Джей-Джей - это имя собственное, хотя и является сокращением от сэра Джозефа Джона Томсона.
Впрочем, Томсон не был дворянином по рождению, как и его самый известный ученик, Резерфорд. Он родился в семье книготорговца, тоже JJ (Джозефа Джеймса) Томсона и Эммы Суиндейлс. Отец хотел, чтобы сын получил хорошее образование и стал инженером, а посему в 14 лет Джей-Джей-младший отправился в Оуэнс-колледж, ныне известный как Манчестерский университет.
Два года спустя Томсона-старшего не стало. Не стало и денег, однако помогла мать и хорошая успеваемость, обеспечившая стипендию. Обучение продолжилось. В Оуэнс-колледже был великолепный курс экспериментальной физики. Однако, чтобы заниматься физикой, уже тогда было нужно хорошее знание математики. И Томсон поступил в Тринити-колледж Кембриджа, где занимался теоретической физикой и математикой. В 1880 году, в 24 года, он получил звание бакалавра и начал работать в Кавендишской лаборатории (фактически - физфак Кембриджа). Напомним читателям, что лаборатория получила свое название не по имени знаменитого химика Генри Кавендиша, а по имени канцлера Кембриджа Уильяма Кавендиша (Генри был 2-м лордом Кавендишем, а Уильям - 7-м), пожертвовавшего большие деньги на ее строительство.
Эрнест Резерфорд
George Grantham Bain Collection/Library of Congress
Четыре года спустя, в 1884 году, когда Томсону еще не исполнилось 28 лет и никаких особенных научных достижений, кроме славы хорошего физика и математика с «правильными руками», за ним не числилось, случилось удивительное. В отставку ушел директор Кавендишской лаборатории Джон Уильям Стретт, третий , матерый человечище, который впоследствии (в 1904 году) получил Нобелевскую премию за открытие аргона и оставил свой титул в истории науки в терминах рэлеевского рассеяния и волнах Рэлея. До Стретта пост директора занимал сам Джеймс Клерк Максвелл. И тут на этот важный пост назначают Томсона. Удивительно! Писали, что один американский физик, стажировавшийся в лаборатории, узнав о новом кавендишевском профессоре, бежал на родину со словами «бессмысленно работать под началом профессора, который всего на два года старше тебя», а один кембриджский воспитатель-наставник высказался жестче: «…критические времена наступают в университете, если профессорами делаются просто мальчики!».
При этом выбор сделал сам уходящий в отставку Стретт. Может быть, потому, что при отсутствии пока что, как говорится, «прорывных» результатов, талант Томсона был все же очевиден? Недаром его первую печатную научную работу издали в «Трудах лондонского королевского общества», когда ему было всего 19. В любом случае, Стретт не ошибся - Томсон прекрасно руководил лабораторией более трети века, как и его предшественник, получил Нобелевскую премию и сдал свой пост не менее великому ученому… Но об этом позже.
Став директором и получив большую свободу действий, Томсон начал изучать электрическую проводимость газов в трубке Крукса. Это стеклянный сосуд с двумя электродами в противоположных его концах, из которого выкачан почти весь воздух. Собственно, Уильям Крукс, создатель этого прибора, обнаружил, что при достаточном разрежении воздуха стекло на противоположном катоду конце трубки начинает флуоресцировать желто-зеленым светом, видимо, под действием некоего излучения, которое было названо катодными лучами.
Несколько слов нужно, конечно, снова сказать о самом Уильяме Круксе, создателе катодной трубки. Известнейший ученый, открывший таллий и получивший в лабораторных условиях гелий, был заядлым спиритистом. В 1874 году он, будучи 42 лет от роду, в самом расцвете научных сил, опубликовал статью, в которой заявлял, что спиритизм - это научно и явления духов происходят на самом деле. Скандал был такой, что Круксу пришлось на много лет «залечь на дно» - дождаться того, что его научный авторитет стал незыблем, как и позиции в Королевском научном обществе, дождаться рыцарского титула в 1897 года и в 1898 году совершить каминг-аут в духе тех лет, заявив, что он убежденный спиритуалист. Им Крукс и оставался до самой смерти в 1919 году. Так что с 1913 по 1915 год Лондонское королевское общество возглавлял, по-нашему, лжеученый (но только в этом). Кстати, в 1915 году, на шесть лет, Крукса на этом посту сменил наш герой.
Уильям Крукс
Wikimedia Commons
Вернемся на три десятилетия назад, от старого Крукса к молодому Томсону. К началу его занятий с трубкой Крукса в научном мире шли серьезные споры. Условно говоря, представители британской школы (и сам Крукс) считали, что катодные лучи - это поток неких частиц, а представители германской, основываясь на не очень достоверных опытах Герца, считали, что они представляют собой волны эфира - некоей субстанции, пронизывающей пространство.
Главной заслугой Томсона стало то, что он сумел показать: катодные лучи - это все-таки частицы (корпускулы, как называл их сам Томсон), при этом всегда одни и те же. Томсон даже сумел померить соотношение заряда к массе частицы - ныне одну из фундаментальных констант. Так были открыты электроны, а человечество сделало первый шаг в глубины атома. Cам Томсон стал автором первой модели строения атома, которую называли «пудинг с изюмом»: в некоем размазанном положительно заряженном теле плавают или просто вкраплены «изюминки» - электроны.
Полвека спустя его родной сын и ученик получит Нобелевскую премию за то, что сумел показать двойственную природу электрона, открыв его волновые свойства. А намного раньше его первый ученик сделал следующий шаг в познании структуры атома и разрушил «вкусную» модель Томсона.
Модель атома Томсона, которую называли «пудингом с изюмом», сравнивая электроны с изюминками в кондитерском изделии
Wikimedia Commons
Еще до открытия электрона (1896−1897), в 1895 году в жизни Томсона и всей британской и мировой науки произошло еще одно важнейшее событие. Нет, это не Нобелевская премия – ее тогда вообще не присуждали, заслуженную награду Томсон получит только в 1906 году. В Кавендишской лаборатории появился первый докторант (research-student) Томсона, молодой новозеландец по имени Эрнест Резерфорд. Именно вместе с ним Томсон сделал главное открытие своей жизни.
Письма Резерфорда невесте сохранили нам описание Томсона и его семьи. «Он очень приятен в беседе и вообще вовсе не представляет собою старомодное ископаемое. Что касается внешности, он среднего роста, темноволос и очень моложав. Весьма скверно побрит и носит довольно длинные волосы. У него худощавое продолговатое лицо, выразительное голова, от носа спускаются вниз две глубокие вертикальные складки… Он пригласил меня на ленч к себе на Скруп-Террас, где я увидел его жену – высокую шатенку с болезненным лицом, но очень приветливую и словоохотливую…»
Дж. Дж. Томсон. Как вы видите, описание Резерфорда довольно точно
Wikimedia Commons
Надо сказать, что Джей-Джей был приличным мужчиной и, положив глаз на студентку в собственной лаборатории, он на ней женился. Тем более что папа студентки был региус-профессором медицины в Кембридже. В 1890 году 28-летний Томсон и Роза Паджет сыграли свадьбу, через два года у них родился первенец – Джордж Паджет. Нобелевский лауреат 1937 года за открытие волновой природы электрона.
Кстати, если хотите подробной статистики по номинациям 1906 года, то вот:
Нобелевская премия по физике, 1906 год. 18 номинаций.
Дж.Дж. Томсон - 8 номинаций
Гэйбриел Липманн (лауреат 1908 года) - 3
Анри Пуанкаре (его номинировали целый 51 раз, но так и не дали премию) - 3
Людвиг Больцман (вот уж кто заслужил премию, но, увы, в 1906 году умер) - 2
Остальные - по одной (среди них однофамилец Томсона - Уильям Томсон (1824−1907), более известный как лорд Кельвин, тоже не успевший получить премию)
Томсон прожил долгую жизнь. Он заработал дворянство, как любил говорить Владимир Ворошилов, «своим собственным умом», стал нобелиатом. В 1913 году он стал главой Лондонского королевского общества, в 1919 - передал профессорство вернувшемуся в Кембридж Резерфорду.
Стали нобелиатами семь его сотрудников, начиная с первого докторанта Резерфорда, которого Томсон пережил и похоронил. Он дождался Нобелевской премии своего сына. Он был главой Лондонского королевского общества, главой Тринити-колледжа… Когда он умер, ему было 84 года, шла Вторая мировая война, в разгаре была битва за Британию. Джей-Джей удостоился высочайшей чести быть похороненным в Вестминстерском аббатстве.
Джордж Паджет Томсон
Nobel foundation
Кстати, еще один интересный момент: Томсон - один из немногих нобелиатов первых лет, которых мы можем увидеть и услышать. На сайте Нобелевского комитета есть запись, сделанная в 1934 году, где Томсон рассказывает об открытии электрона.
А о самом вкладе Томсона, начавшего создавать школу Кавендишской лаборатории, можно сказать словами Оливера Лоджа: «Насколько меньше знал бы мир, если б Кавендишской лаборатории не было бы на свете. Но насколько уменьшилась бы слава этой прославленной лаборатории, если бы сэр Дж. Дж. Томсон не был одним из ее директоров!».
- Нобелевские лауреаты
Академик Д.С. Лихачев писал: "Александр Исаевич - настоящий русский писатель, мученик и герой. Это было типично для русских писателей всегда - не только для Аввакума, но и для всех последующих русских писателей, в той иди иной степени. Его героизм и одновременно…
Н.И. Рыжков, председатель Совета Министров СССР конца восьмидесятых годов, человек из перестроечной команды Горбачева, пишет: "Горбачев - великая Личность в нашей великой Истории. В Истории власти в нашей державе. В крохотном отрезочке демократии в огромной Истории абсолютизма. Говорю это, не боясь…
В своей философской работе "Бытие и ничто" Сартр пишет: "Человек несет всю тяжесть мира на своих плечах: он ответствен за мир и за самого себя как за определенный способ бытия... Поэтому в жизни нет случайности. Ни одно общественное событие, возникшее внезапно…
"Киплинг обнаружил романтику подвига и подвижничества в самой гуще современности, - пишут Н. Дьяконова и А. Долинин. - Провозгласив в пору крушения идеалов и недоверия к героическим возможностям человека старый, но прочно забытый героический идеал, Киплинг стал одним из основателей недолговечной,…
Борн был один из тех, кто стоял у истоков квантовой механики. Вот слова основателя кибернетики Н. Винера: "Главную роль в создании и первоначальном развитии квантовой механики в Геттингене сыграли Макс Борн и Гейзенберг. Макс Борн был гораздо старше Гейзенберга, но, хотя…
Супругам Жолио-Кюри принадлежит большая заслуга в исследовании строения атома, особенно атомного ядра. Они сделали одно из величайших открытий двадцатого столетия - искусственной радиоактивности.Ирен Кюри, дочь великих ученых Марии и Пьера Кюри, родилась 12 сентября 1897 года в Париже. Вначале девочка училась…
Джозеф Джон Томсон
«Джозеф Джон Томсон»
Джозеф Джон Томсон физик обнаруживший электрон.
Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в пригороде Манчестера. Отец занимался торговлей книгами, поэтому сын пристрастился к чтению, особенно об изобретениях и различных науках.
Джозеф Джон Томсон поступил в колледж Оуэнс, где его образованием занимались педагоги и известные ученые физики, химики, инженеры и математики того времени. Лекции по физики читал Б.Стюарт.
Отец Джозефа умер рано, в 1872 году, который был единственным кормильцем в семье. Несмотря на это Томсон не оставил обучение, в 1876 году он поступил в Кембриджский университет. А талантливого юношу финансово поддержал стипендиальный фонд университета.
Томсон блестяще сдал заключительные экзамены в январе 1880 и был принят на работу в Кавендишскую лабораторию.
Статья об электромагнитной теории света и еще две опубликованные работы стали основой к теории электромагнитной массы выраженной в работе Томсона с названием "Об электрических и магнитных эффектах, производимых движением наэлектризованных тел"
Джозеф Джон Томсон начиная с 1883 года начинает читать лекции по электричеству, магнетизму и динамике твердого тела в Кембриджском университете. Студенты высоко ценили его лекции и считали не простительным их пропустить.
Знаменитый физик-теоретик Нильс Бор студентом посещал лекции Томсона, позже он писал об этом:
"Дж.Дж.
«Джозеф Джон Томсон»Томсон поистине большой человек! Я невероятно много почерпнул из его лекций..."
Рэлей, директор лаборатории в Кембриджском университете, уходя на пенсию в 1884 году не колеблясь предложил должность директора Томсону. Для него самого это было неожиданностью и он с благодарностью принял пост, который сохранял по 1919 год.
За время его управления лабораторией, она превратилась в один из крупнейших научных центров Европы, где многие студенты Томсона впоследствии стали известными учеными. А пятеро его учеников стали нобелевскими лауреатами: Брэгг, Вильсон, Ричардсон, Розерфорд и Баркла.
Роза-Элизабет, милая и хрупкая девушка, которая работала в его лаборатории, после года ухаживания Томсоном стала его женой в январе 1890 года. Они давали для публики маленькие представления, на которых она в вечернем платье руководила опытами.
Основной задачей по изучению перед собой Томсон поставил исследования электрического тока в газовой среде. Совместно с Трелфоллом они проводят ряд экспериментов в азоте и озоне, результаты они вместе опубликовали в 1886 году.
В следующем году Томсон исследовал влияние давления и температуры на ток в различных газовых средах.
Позже начал исследовать катодные лучи, в 1894 году он сконструировал трубку, где лучи притягивались от отрицательно к положительно пластине, как и электрические разряды.
Даже этот эксперимент Томсон не стал использовать в споре природы катодных лучей, потому что считал эксперимент не завершенным.
«Джозеф Джон Томсон»
Томсон считал, что этим экспериментом он узнал качественное значение, а желал понять количественное определение.
Читая статьи по открытиям Рентгена и Беккереля он смог проводить эксперименты ранее, которые были невозможны и приходил к размышлениям:
1) "...атомы не неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света или тепла";
2) "...все эти частицы одинаковой массы и несут одинаковый заряд отрицательного электричества от любого рода атомов, и они являются составной частью всех атомов";
3) "...масса этих частиц меньше однотысячной массы атома водорода".
Во время заседания Лондонского королевского обществе 29 апреля 1897 года Джозеф Джон Томсон выступил с речью, которая стала сенсацией в научном мире. Томсон заявил об электроне, как о величине наименьшего электрического заряда.
Позже модель атома Томсон представить по иному, в 1904 году он предложил о сфере, которая заряжена положительно с вращающимися отрицательными корпускулами. Их количество и местоположение определяло природу атома.
Томсон не смог лишь объяснить устойчивость расположения корпускул в сфере и почему они иногда находятся в одной плоскости с центром сферы.
Главная заслуга Джозефа Джона Томсона - это открытие возможности управление электронами, которое дало толчок к развитию других наук и созданию новых изобретений, например, электронные лампы.
За открытие электрона Томсон был удостоит Нобелевской премии по физике в 1906 году.
Его монография “Лучи положительного электричества” вышедшая в 1913 году стало началом научного метода: масс-спектроскопии.
Почти всю свою жизнь Томсон занимался электричеством, лишь во время Первой мировой войны он активно участвовал в исследованиях по обнаружению подводных лодок, который наносили сильный урон морскому флоту Великобритании.
За свои заслуги и преданность Кембриджу, в 1918 году Томсона назначили президентом Тринити-колледжа, а на следующий год он оставил руководство Кавендишской лабораторией одному из своих учеников. Для себя он выделил одну комнату для лабораторных работ.
Скончался Джозеф Джон Томсон в возрасте 84 лет в своем рабочем кабинете 30 августа в 1940 года.
18+, 2015, сайт, «Seventh Ocean Team». Координатор команды:
Осуществляем безвозмездную публикацию на сайте.
Публикации на сайте, являются собственностью их соответствующих владельцев и авторов.
, Лауреат Нобелевской премии
Джозеф Джон Томсон (1856-1940) - английский физик, основатель научной школы, член (1884) и президент (1915-1920) Лондонского Королевского общества, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1913) и иностранный почетный член (1925) АН СССР. Директор Кавендишской лаборатории (1884-1919). Исследовал прохождение электрического тока через разреженные газы. Открыл (1897) электрон и определил (1898) его заряд. Предложил (1903) одну из первых моделей атома. Автор исследований электрических токов в разреженных газах и катодных лучей, объяснивший непрерывность спектра рентгеновских лучей, выдвинувший идею о существовании изотопов и получивший ее экспериментальное подтверждение. Один из создателей электронной теории металлов. Нобелевская премия (1906).
Джозеф Томсон родился 18 декабря 1856, Чэтем Хилл, пригород Манчестера. Скончался 30 августа 1940, в Кембридже; похоронен в Вестминстерском аббатстве.
Математик приходит в физику
Джозеф Томсон родился в семье продавца книг. Отец хотел, чтобы он стал инженером, и когда Джозеф достиг четырнадцати лет, его отдали учиться в колледж Оуэна (впоследствии Манчестерский университет).
Цивилизованное общество напоминает ребенка, который ко дню своего рождения получил слишком много игрушек.
Томсон Джозеф Джон
До середины 19 века в университетах не существовало исследовательских лабораторий и профессора, проводившие опыты, делали это у себя дома. Первая физическая лаборатория была открыта в Кембридже в 1874 г. Ее возглавил Джеймс Клерк Максвелл, а после его ранней кончины - лорд Рэлей, вышедший в отставку в 1884. И тогда неожиданно для многих Томсон, двадцативосьмилетний математик, только начинавший экспериментальные исследования, был избран кавендишевским профессором и директором лаборатории. Будущее показало, что этот выбор оказался весьма удачным.
Начало экспериментов Джозефа Томсона
Внимание многих физиков в то время привлекали проблемы электричества и магнетизма. Уже появились (хотя еще не вошли во всеобщее употребление) уравнения Максвелла. Однако, Томсон обратился не к той части электродинамики, которая рассматривает напряженности полей, порождаемых «заданными» источниками (т. е. плотности зарядов и токов которых известны), а именно вопросом о физической природе самих этих источников. В теории самого Максвелла этот вопрос почти не обсуждался. Для него электрический ток - все, что порождает магнитное поле (не меняющиеся со временем распределения электрических зарядов создают только электрические поля).
Томсона увлек вопрос о носителях зарядов. Он начал с исследования токов в разреженных газах, чем занимались тогда и в ряде других лабораторий. Томсон обнаружил, что проводимость газов увеличивается под воздействием рентгеновских лучей. Важные результаты были получены им при исследовании катодных лучей. т.е. потоков, исходящих из катодов (отрицательных электродов) разрядных трубок. Об их физической природе высказывались тогда различные мнения. Большинство немецких физиков полагало, что это - волны, подобные рентгеновским лучам, тогда как английские видели в них поток частиц.
В 1894 Томсону удалось измерить их скорость, которая оказалась в 2000 раз меньше световой, что явилось убедительным доводом в пользу корпускулярной гипотезы. Через год французского экспериментатор Жан Перрен выяснил знак электрического заряда катодных лучей: попадая на металлический цилиндр, они заряжали его отрицательно. Оставалось определить массу частиц. Эту проблему также с блеском смог разрешить Томсон. Но, прежде чем начать эксперимент, он обратился к теории и рассчитал, как должна двигаться заряженная частица в скрещенных электрическом и магнитном полях. Отклонение такой частицы получалось зависящим от отношения ее заряда к массе.
Начался эксперимент (нужно заметить, что Джозеф Томсон чаще всего, тщательно, во всех деталях продумав эксперимент, предоставлял его проведение помощникам). Его результаты показали, что масса частиц почти в 2000 раз меньше. чем у самых легких ионов - ионов водорода. Что же касается заряда, то у ионов он уже был надежно вычислен на базе опытов по электролизу и оказался положительным. Поскольку атом водорода имеет нулевой заряд, это наводило на мысль, что существуют равные по величине и противоположные по знаку носители дискретных порций электрических зарядов. Те частицы, которые входили в состав катодных лучей, были вскоре названы электронами. Их открытие было одним из важнейших достижений физики конца 19 века, и оно непосредственно связано с именем Томсона, удостоенного за него в 1906 Нобелевской премии.
Модель атома
В том же 1897, когда было зарегистрировано открытие электрона, Д. Томсон обратился к проблеме атома. Придя к убеждению, что, вопреки своему названию, атом не является неделимым, Томсон предложил модель его устройства. По этой модели атом выступал в виде положительно заряженной «капли», внутри которой «плавали» маленькие отрицательно заряженные шарики - электроны. Под действием кулоновских сил они располагались вблизи центра атома в виде цепочек определенных конфигураций (в которых можно было даже усмотреть нечто напоминающее упорядоченность в периодической таблице Менделеева). Если какой-то толчок отклонял электроны от положений равновесия, начинались колебания (связь со спектрами!) и кулоновские силы стремились восстановить исходное равновесие. Хотя опыты, проведенные впоследствии в той же кавендишевской лаборатории преемником Томсона, Эрнестом Резерфордом заставили отказаться от этой модели, она сыграла немалую роль в формировании представлений о строении материи.
От электронов к ядрам
Начав работу в кавендишевской лаборатории с исследования рассеяния рентгеновских лучей, Джозеф Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц.
Важна была также роль Томсона в открытии фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии. Очень плодотворной оказалась и идея использования скрещенных полей для измерения отношений зарядов частиц к их массам. На этой идее основана работа масс-спектрографов, которые нашли широкое применение в физике ядра и, в частности, сыграли существенную роль для открытия изотопов (ядер, имеющих различные массы, но одинаковые заряды, чем определяется их химическая неразличимость). Отметим, что предсказание существования изотопов и экспериментальное обнаружение некоторых из них также было сделано Томсоном.
Джозеф Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков. Правда, он застал появление квантовой теории (становление которой происходило в значительной степени на его глазах и при непосредственном участии его молодых коллег), появление теории относительности и атомной и ядерной физики. Более того, его личное участие в том грандиозном пересмотре всего физического миропонимания, которое принесли первые десятилетия нового века, было несомненным и глубоким. Но он до конца дней сохранял веру в существование механического эфира, несмотря на успехи релятивистской теории, которую он воспринимал лишь как отражение некоторых математических свойств уравнений Максвелла. По отношению к квантовой теории он довольно долго оставался в положении скептического наблюдателя и изменил мнение о ней лишь после того, как его сын Джордж Паджет Томсон на опыте обнаружил волновые свойства у электронов (за что был удостоен в 1937 Нобелевской премии).
ТОМСОН, ДЖОЗЕФ ДЖОН (Thomson, Joseph John) (1856–1940), английский физик, удостоенный в 1906 Нобелевской премии по физике за работы, которые привели к открытию электрона. Родился 18 декабря 1856 в пригороде Манчестера – Читем-Хилле. Поступил в Оуэнс-колледж (впоследствии Манчестерский университет), продолжил образование в Тринити-колледже Кембриджского университета. С 1918 и до конца жизни – ректор Тринити-колледжа. В 1884–1919 Томсон – профессор Кембриджского университета и одновременно руководитель Кавендишской лаборатории; в 1905–1918 – профессор Королевской ассоциации в Лондоне.
Наибольшую известность Томсону принесли его работы, связанные с открытием электрона: в 1897, исследуя отклонение катодных лучей в магнитном и электрическом полях, Томсон обнаружил, что они представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Измерил отношение заряда частиц к массе и показал, что они в 1837 раз легче атома водорода. В 1899 обнаружил электроны в фототоке, наблюдал эффект термоэлектронной эмиссии. Изучал особенности электрического разряда в газах, дал объяснение непрерывного спектра рентгеновского излучения.
Томсон – один из основоположников электронной теории металлов (1900). Им получено выражение для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). В 1903 построил одну из первых моделей атома, предположив, что атом – это положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. В 1904 Томсон высказал идею о том, что электроны в атоме образуют различные конфигурации, обусловливающие периодичность химических элементов; тем самым он попытался установить связь между электронной структурой атома и его химическими свойствами.
Начиная с 1905 Томсон приступил к детальному экспериментальному исследованию т.н. «каналовых» лучей – быстро движущихся частиц, образующихся за катодом газоразрядной трубки, в котором проделано отверстие. Отклоняя эти лучи в электрическом и магнитном полях, он разложил их на компоненты, число и свойства которых зависели от состава газа в трубке. Эта работа послужила основой масс-спектрометрии. В 1911 Томсон разработал метод парабол для измерения отношения массы частицы к ее заряду, что имело важное значение для исследования изотопов. В 1912 получил первые данные о существовании изотопов – обнаружил атомы неона с массой 20 и 22.
Кавендишская лаборатория за время, когда ее возглавлял Томсон, превратилась в ведущий исследовательский центр. Здесь под руководством Томсона работали Ф.Астон, У.Вильсон, Э.Резерфорд, У.Ричардсон и др. За научные заслуги Томсон был награжден медалями Б.Франклина (1923), М.Фарадея (1938), Копли (1914) и др.
Оуэнс-колледж сыграл важную роль в карьере Т., поскольку там был превосходно оборудованный факультет и в отличие от большинства колледжей того времени читались курсы экспериментальной физики. Получив в Оуэнсе в 1876 г. звание инженера, Т. поступил в Тринитиколледж Кембриджского университета. Здесь он изучал математику и ее приложения к задачам теоретической физики. Степень бакалавра по математике он получил в 1880 г. На следующий год он был избран членом ученого совета Тринитиколледжа и начал работать в Кавендишской лаборатории в Кембридже.
В 1884 г. Дж.У. Стретт, преемник Джейма Клерка Максвелла на посту профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории, ушел в отставку. Т. занял этот пост, несмотря даже на то, что ему было тогда всего двадцать семь лет и он не добился еще сколько-нибудь заметных успехов в экспериментальной физике. Однако его очень ценили как математико-физика, он активно применял максвелловскую теорию электромагнетизма, что и сочли достаточным при рекомендации его на этот пост.
Приступив к своим новым обязанностям в лаборатории, Т. решил, что главным направлением его исследований должно стать изучение электрической проводимости газов. Особенно его интересовали эффекты, возникающие при прохождении электрического разряда между электродами, помещенными в противоположных концах стеклянной трубки, из которой выкачан почти весь воздух. Ряд исследователей, и среди них английский физик Уильям Крукс, обратили внимание на одно любопытное явление, возникающее в таких газоразрядных трубках. Когда газ становится достаточно разреженным, стеклянные стенки трубки, расположенные на конце, противоположном катоду (отрицательному электроду), начинают флуоресцировать зеленоватым светом, что, по всей видимости, происходило под воздействием излучения, возникающего на катоде.
Катодные лучи вызвали в научной среде огромный интерес, а относительно их природы высказывались самые разноречивые мнения. Британские физики в большинстве своем полагали, что эти лучи представляют собой поток заряженных частиц. Напротив, немецкие ученые большей частью склонялись к мнению, что они являются возмущениями – быть может, колебаниями или токами – в некоей гипотетической невесомой среде, в которой, как они полагали, распространяется данное излучение. С этой точки зрения катодные лучи представлялись чем-то вроде высокочастотной электромагнитной волны, подобной ультрафиолетовому свету. Немцы ссылались на опыты Генриха Герца, который, как считалось, обнаружил, что катодные лучи, отклоняясь под воздействием магнитного поля, остаются нечувствительными к сильному электрическому полю. Предполагалось, что это опровергает мнение, будто катодные лучи – это поток заряженных частиц, ибо электрическое поле неизменно оказывает воздействие на траекторию таких частиц. Даже если это было и так, тем не менее экспериментальные доводы немецких ученых оставались не вполне убедительными.
Исследования катодных лучей и связанных с ними явлений оживились в связи с открытием Вильгельмом Рентгеном в 1895 г. рентгеновских лучей. Между прочим, эта форма излучения, о которой ранее не подозревали, также возникает в газоразрядных трубках (но не на катоде, а на аноде). Вскоре Т., работая вместе с Эрнестом Резерфордом, обнаружил, что облучение газов рентгеновскими лучами в огромной степени увеличивает их электропроводность. Рентгеновские лучи ионизировали газы, т.е. они превращали атомы газа в ионы, которые в отличие от атомов заряжены и, следовательно, служат хорошими переносчиками тока. Т. показал, что возникающая здесь проводимость в чем-то похожа на ионную проводимость при электролизе в растворе.
Выполнив со своими студентами весьма плодотворное исследование проводимости в газах, Т., ободренный успехами, вплотную занялся нерешенным вопросом, который занимал его уже много лет, а именно составом катодных лучей. Как и другие его английские коллеги, он был убежден в корпускулярной природе катодных лучей, полагая, что это могли быть быстрые ионы или другие наэлектризованные частицы, вылетающие из катода. Повторив опыты Герца, Т. показал, что на самом деле катодные лучи отклоняются электрическими полями. (Отрицательный результат у Герца был связан с тем, что в его газоразрядных трубках находилось слишком много остаточного газа.) Т. отмечал позднее, что «отклонение катодных лучей электрическими силами стало вполне различимым, а его направление указывало на то, что составляющие катодные лучи частицы несли отрицательный заряд. Этот результат устраняет противоречие между воздействием электрических и магнитных сил на катодные частицы. Но он имеет гораздо большее значение. Здесь возникает способ измерения скорости этих частиц v, а также и e/m, где m – масса частицы, а е – ее электрический заряд».
Метод, предложенный Т., был весьма прост. Сначала пучок катодных лучей отклонялся с помощью электрического поля, а затем с помощью магнитного поля он отклонялся на равную величину в противоположную сторону, так что в итоге пучок вновь выпрямлялся. Используя такую экспериментальную методику, стало возможным вывести простые уравнения, из которых, зная напряженности двух полей, легко определить как v, так и e/m.
Найденное таким образом значение e/m для катодных «корпускул» (как называет их Т.) оказалось в 1000 раз больше соответствующего значения для иона водорода (теперь мы знаем, что истинное отношение близко к 1800:1). Водород среди всех элементов обладает наибольшим отношением заряда к массе. Если, как полагал Т., корпускулы несли тот же самый заряд, что и ион водорода, («единичный» электрический заряд), то он открыл новую сущность, в 1000 раз более легкую, чем простейший атом.
Эта догадка подтвердилась, когда Т. с помощью прибора, изобретенного Ч.Т. Р. Вильсоном, удалось измерить значение е и показать, что оно действительно равно соответствующему значению для иона водорода. Он обнаружил далее, что отношение заряда к массе для корпускул из катодных лучей не зависит от того, какой газ находится в газоразрядной трубке и из какого материала сделаны электроды. Более того, частицы с тем же самым отношением e/m удавалось выделить из угля при нагревании и из металлов при воздействии на них ультрафиолетовыми лучами. Отсюда он сделал вывод, что «атом – не последний предел делимости материи; мы можем двигаться дальше – к корпускуле, и эта корпускулярная фаза одинакова, независимо от источника ее возникновения... Она, по всей видимости, входит составной частью во все разновидности материи при самых разных условиях, поэтому кажется вполне естественным рассматривать корпускулу как один из кирпичиков, из которых построен атом».
Т. пошел дальше и предложил модель атома, согласующуюся с его открытием. В начале XX в. он выдвинул гипотезу, что атом представляет собой размытую сферу, несущую положительный электрический заряд, в которой распределены отрицательно заряженные электроны (как в конце концов стали называть его корпускулы). Эта модель, хотя она и была вскоре вытеснена ядерной моделью атома, предложенной Резерфордом, обладала чертами, ценными для ученых того времени и стимулировавшими их поиски.
Т. получил в 1906 г. Нобелевскую премию по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах». На церемонии презентации лауреата Дж.П. Класон, член Шведской королевской академии наук, поздравил Т. с тем, что он «дал миру несколько главных трудов, позволяющих натурфилософу нашего времени предпринять новые исследования в новых направлениях». Показав, что атом не является самой последней неделимой частицей материи, как это долго считали, Т. и в самом деле открыл дверь в новую эру физической науки.
Между 1906 и 1914 гг. у Т. начался второй и последний большой период экспериментальной деятельности. Он изучал канальные лучи, которые движутся по направлению к катоду в разрядной трубке. Хотя Вильгельм Вин уже показал, что канальные лучи представляют собой поток положительно заряженных частиц, Т. с коллегами пролили свет на их характеристику, выделили различные типы атомов и атомных групп в этих лучах. В своих опытах Т. продемонстрировал совершенно новый способ разделения атомов, показав, что некоторые атомные
группы, такие, как СН, СН2 и СН3, могут существовать, хотя в обычных условиях их существование нестабильно. Большое значение имеет и то, что ему удалось обнаружить, что пробы инертного газа неона содержат атомы с двумя различными атомными весами. Открытие этих изотопов сыграло важную роль в понимании природы тяжелых радиоактивных элементов, таких, как радий и уран.
Во время первой мировой войны Т. работал в Управлении исследований и изобретений и был советником правительства. В 1918 г. он возглавил Тринитиколледж. Год спустя Резерфорд сменил его на посту профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории.
После 1919 г. деятельность Т. сводилась к выполнению обязанностей главы Тринити-колледжа, дополнительным исследованиям в Кавендишской лаборатории и выгодным вложениям денег. Ему нравилось работать в саду, и он часто совершал дальние прогулки в поисках необычных растений.
Томсон женился на Розе Паджет в 1890 г.; у них были сын и дочь. Его сын, Дж.П. Томсон, получил Нобелевскую премию по физике за 1937 г. Т. умер 30 августа 1940 г. и был похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне.
Т. оказал влияние на физику не только результатами своих блестящих экспериментальных исследований, но и как превосходный преподаватель и прекрасный руководитель Кавендишской лаборатории. Привлеченные этими его качествами, сотни наиболее талантливых молодых физиков со всего мира выбирали местом обучения Кембридж. Из тех, кто работал в Кавендише под руководством Т., семеро стали в свое время лауреатами Нобелевской премии.
В дополнение к Нобелевской премии Т. получил много других наград, среди которых можно указать медали: Королевскую (1894), Хьюза (1902) и Копли (1914), присужденные Лондонским королевским обществом. Он был президентом Лондонского королевского общества в 1915 г. и ему было пожаловано дворянство в 1908 г.
