Το 1897, ο Βρετανός φυσικός Joseph John Thomson (1856-1940) ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο μετά από μια σειρά πειραμάτων που στόχευαν στη μελέτη της φύσης μιας ηλεκτρικής εκκένωσης στο κενό. Ο διάσημος επιστήμονας ερμήνευσε τις εκτροπές δέσμης ηλεκτρικά φορτισμένων πλακών και μαγνητών ως απόδειξη ότι τα ηλεκτρόνια είναι πολύ μικρότερα από τα άτομα.
Ο μεγάλος φυσικός και επιστήμονας έπρεπε να είχε γίνει μηχανικός
Thomson Joseph John, ένας σπουδαίος επιστήμονας, φυσικός και μέντορας, επρόκειτο να γίνει μηχανικός, όπως νόμιζε ο πατέρας του, αλλά εκείνη την εποχή η οικογένεια δεν είχε τα μέσα να πληρώσει για την εκπαίδευση. Αντίθετα, ο νεαρός Τόμσον παρακολούθησε το κολέγιο στο Macester και αργότερα στο Cambridge. Το 1884 διορίστηκε στη θέση του καθηγητή Πειραματικής Φυσικής στο Κέιμπριτζ, αν και προσωπικά έκανε πολύ μικρή πειραματική εργασία. Ανακάλυψε το ταλέντο του στην ανάπτυξη υλικού και τη διάγνωση σχετικών προβλημάτων. Ο Τόμσον Τζόζεφ Τζον ήταν καλός δάσκαλος, εμπνέοντας τους μαθητές του και έδωσειδιαίτερη προσοχή στο ευρύ πρόβλημα της ανάπτυξης της επιστήμης της διδασκαλίας στο πανεπιστήμιο και στο γυμνάσιο.
Νόμπελ
Ο Τόμσον έλαβε πολλά διαφορετικά βραβεία, συμπεριλαμβανομένου του Νόμπελ Φυσικής το 1906. Είχε επίσης μεγάλη χαρά να βλέπει μερικούς από τους συνεργάτες του να λαμβάνουν τα βραβεία Νόμπελ, συμπεριλαμβανομένου του Ράδερφορντ στη χημεία το 1908. Ένας αριθμός επιστημόνων όπως ο William Prout και ο Norman Lockyer έχουν προτείνει ότι τα άτομα δεν είναι τα μικρότερα σωματίδια στο σύμπαν και ότι είναι κατασκευασμένα από πιο θεμελιώδεις μονάδες.
Ανακάλυψη του ηλεκτρονίου (συνοπτικά)
Το 1897, ο Thompson πρότεινε ότι μία από τις βασικές μονάδες είναι 1.000 φορές μικρότερη από ένα άτομο, αυτό το υποατομικό σωματίδιο έγινε γνωστό ως ηλεκτρόνιο. Αυτό το ανακάλυψε ο επιστήμονας μέσα από την έρευνά του για τις ιδιότητες των καθοδικών ακτίνων. Εκτίμησε τη μάζα των καθοδικών ακτίνων μετρώντας τη θερμότητα που παράγεται όταν χτυπούν οι ακτίνες θερμικής μετάπτωσης και τη συνέκρινε με τη μαγνητική εκτροπή της δέσμης. Τα πειράματά του δείχνουν όχι μόνο ότι οι καθοδικές ακτίνες είναι 1000 φορές ελαφρύτερες από ένα άτομο υδρογόνου, αλλά και ότι η μάζα τους ήταν η ίδια ανεξάρτητα από τον τύπο του ατόμου. Ο επιστήμονας κατέληξε στο συμπέρασμα ότι οι ακτίνες αποτελούνται από πολύ ελαφριά, αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα οποία είναι το παγκόσμιο δομικό υλικό για τα άτομα. Ονόμασε αυτά τα σωματίδια «σωμάτια», αλλά οι μετέπειτα επιστήμονες προτίμησαν το όνομα «ηλεκτρόνια», που προτάθηκε από τον Τζορτζ Τζόνστον Στόουνι το 1891.
Πειράματα Thompson
Συγκρίνοντας την εκτροπή των καθοδικών δεσμών με ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, ο φυσικός έλαβε πιο αξιόπιστες μετρήσεις του φορτίου και της μάζας του ηλεκτρονίου. Το πείραμα του Thomson πραγματοποιήθηκε μέσα σε ειδικούς σωλήνες καθοδικών ακτίνων. Το 1904, υπέθεσε ότι το μοντέλο του ατόμου είναι μια σφαίρα θετικής ύλης στην οποία η θέση των σωματιδίων καθορίζεται από ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Για να εξηγήσει το γενικά ουδέτερο φορτίο του ατόμου, ο Thompson πρότεινε ότι τα σωματίδια ήταν κατανεμημένα σε ένα ομοιόμορφο πεδίο θετικού φορτίου. Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου κατέστησε δυνατή την πεποίθηση ότι το άτομο μπορούσε να χωριστεί σε ακόμη μικρότερα μέρη και ήταν το πρώτο βήμα προς τη δημιουργία ενός λεπτομερούς μοντέλου του ατόμου.
Ιστορικό ανακάλυψης
Ο Τζόζεφ Τζον Τόμσον είναι ευρέως γνωστός ως ο ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο. Για το μεγαλύτερο μέρος της καριέρας του, ο καθηγητής έχει εργαστεί σε διάφορες πτυχές της αγωγής του ηλεκτρισμού μέσω των αερίων. Το 1897 (το έτος της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου), απέδειξε πειραματικά ότι οι λεγόμενες καθοδικές ακτίνες είναι στην πραγματικότητα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια σε κίνηση.
Πολλές ενδιαφέρουσες ερωτήσεις σχετίζονται άμεσα με τη διαδικασία ανοίγματος. Είναι σαφές ότι ο χαρακτηρισμός των καθοδικών ακτίνων προϋπήρχε του Thomson, και αρκετοί επιστήμονες έχουν ήδη κάνει σημαντικές συνεισφορές. Μπορούμε λοιπόν να πούμε με βεβαιότητα ότι ήταν ο Thomson που ήταν ο πρώτος που ανακάλυψε το ηλεκτρόνιο; Εξάλλου, δεν επινόησε τον σωλήνα κενού ή την παρουσία καθοδικών ακτίνων. Η ανακάλυψη του ηλεκτρονίου είναι μια καθαρά αθροιστική διαδικασία. Πιστοποιημένος πρωτοπόρος συνεισφέρει το πιο σημαντικόσυνεισφορά, συνοψίζοντας και συστηματοποιώντας όλη την εμπειρία που έχει συσσωρευτεί μπροστά του.
Σωλήνες καθοδικών ακτίνων Thomson
Η μεγάλη ανακάλυψη του ηλεκτρονίου έγινε με ειδικό εξοπλισμό και υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Ο Thomson διεξήγαγε μια σειρά πειραμάτων χρησιμοποιώντας έναν περίτεχνο σωλήνα καθοδικών ακτίνων, ο οποίος περιλαμβάνει δύο πλάκες, δέσμες που έπρεπε να ταξιδεύουν μεταξύ τους. Η μακροχρόνια διαμάχη σχετικά με τη φύση των καθοδικών ακτίνων, που προκύπτουν όταν ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από ένα δοχείο από το οποίο έχει εκκενωθεί το μεγαλύτερο μέρος του αέρα, έχει ανασταλεί.
Αυτό το δοχείο ήταν ένας καθοδικός σωλήνας ακτίνων. Χρησιμοποιώντας μια βελτιωμένη μέθοδο κενού, ο Thomson μπόρεσε να προβάλει ένα πειστικό επιχείρημα ότι αυτές οι δέσμες αποτελούνταν από σωματίδια, ανεξάρτητα από τον τύπο του αερίου και το είδος του μετάλλου που χρησιμοποιήθηκε ως αγωγός. Ο Τόμσον μπορεί δικαίως να ονομαστεί ο άνθρωπος που χώρισε το άτομο.
Επιστημονικός απομονωμένος; Δεν πρόκειται για Thomson
Ο εξαιρετικός φυσικός της εποχής του δεν ήταν σε καμία περίπτωση επιστημονικός ερημίτης, όπως συχνά πιστεύει κανείς για λαμπρούς επιστήμονες. Ήταν ο διοικητικός επικεφαλής του πολύ επιτυχημένου εργαστηρίου Cavendish. Εκεί ο επιστήμονας γνώρισε την Rose Elizabeth Paget, την οποία παντρεύτηκε το 1890.
Ο Thomson όχι μόνο διαχειρίστηκε μια σειρά από ερευνητικά έργα, αλλά χρηματοδότησε επίσης την ανακαίνιση εργαστηριακών εγκαταστάσεων με μικρή υποστήριξη από το πανεπιστήμιο και τα κολέγια. Ήταν ταλαντούχοδάσκαλος. Οι άνθρωποι που συγκέντρωσε γύρω του από το 1895 έως το 1914 προέρχονταν από όλο τον κόσμο. Μερικοί από αυτούς κέρδισαν επτά βραβεία Νόμπελ υπό τον ίδιο.
Όταν δούλευε με τον Thomson στο Εργαστήριο Cavendish το 1910 ο Ernest Rutherford διεξήγαγε έρευνα που οδήγησε στη σύγχρονη κατανόηση της εσωτερικής δομής του ατόμου.
Ο Τόμσον πήρε τη διδασκαλία του πολύ σοβαρά: έδινε τακτικά διαλέξεις στις δημοτικές τάξεις το πρωί και δίδασκε επιστήμη σε μεταπτυχιακούς φοιτητές το απόγευμα. Ο επιστήμονας θεώρησε το δόγμα χρήσιμο για τον ερευνητή, καθώς απαιτεί περιοδική αναθεώρηση των βασικών ιδεών και ταυτόχρονα αφήνει χώρο για τη δυνατότητα να ανακαλύψει κάτι νέο που κανείς δεν είχε δώσει προσοχή πριν. Η ιστορία της ανακάλυψης του ηλεκτρονίου το επιβεβαιώνει ξεκάθαρα. Ο Thompson αφιέρωσε το μεγαλύτερο μέρος της επιστημονικής του δραστηριότητας στη μελέτη της διέλευσης ηλεκτρικά φορτισμένων σωματιδίων ρεύματος μέσω σπανίων αερίων και του χώρου κενού. Ασχολήθηκε με τη μελέτη της καθόδου και των ακτίνων Χ και συνέβαλε τεράστια στη μελέτη της ατομικής φυσικής. Επιπλέον, ο Thomson ανέπτυξε επίσης μια θεωρία της κίνησης των ηλεκτρονίων σε μαγνητικά και ηλεκτρικά πεδία.
