Joseph John Thomson
Obsah boxu
Sir Joseph John Thomson OM FRS (* 18. prosince 1856, Cheetham Hill u Manchesteru – 30. srpna 1940, Cambridge) byl britský experimentální fyzik, který v roce 1897 objevil elektron, první objevenou elementární částici. Za tento objev a za své výzkumy elektrické vodivosti plynů obdržel v roce 1906 Nobelovu cenu za fyziku. Na základě svého objevu vytvořil tzv. pudinkový model atomu, který byl sice později vyvrácen, ale představoval první krok k pochopení vnitřní struktury atomu. Thomson je rovněž považován za objevitele izotopů a vynálezce hmotnostní spektrometrie.
🧬 Život a kariéra
Joseph John Thomson se narodil na předměstí Manchesteru v rodině knihkupce. Jeho otec pro něj plánoval kariéru inženýra, ale rodina neměla dostatek financí na zaplacení praxe.
🎓 Vzdělání a počátky
Již ve čtrnácti letech byl přijat na Owens College (dnešní University of Manchester). Po smrti otce se zaměřil na fyziku a matematiku. V roce 1876 získal stipendium na Trinity College na univerzitě v Cambridgi, kde strávil zbytek svého života. V roce 1880 absolvoval s vynikajícím prospěchem v matematice a v roce 1883 získal titul Master of Arts.
🔬 Cavendishova laboratoř
V roce 1884 byl poněkud překvapivě jmenován Cavendishovým profesorem experimentální fyziky a ředitelem prestižní Cavendishovy laboratoře v Cambridgi, ačkoliv sám byl spíše teoretikem. V této pozici nahradil Lorda Rayleigh. Ukázal se však jako vynikající vedoucí a pedagog. Pod jeho vedením se laboratoř stala světovým centrem pro výzkum atomové fyziky. Během jeho působení zde pracovalo sedm jeho studentů a asistentů, kteří později sami získali Nobelovu cenu, včetně Ernesta Rutherforda, který se stal jeho nástupcem.
👨👩👧👦 Osobní život
V roce 1890 se oženil s Rose Elisabeth Paget, dcerou profesora medicíny v Cambridgi. Měli spolu dvě děti: syna George Pageta Thomsona a dceru Joan Paget Thomson. Jeho syn se stal také významným fyzikem a v roce 1937 získal Nobelovu cenu za fyziku za objev vlnových vlastností elektronu, čímž paradoxně prokázal vlnově-korpuskulární dualismus částice, kterou jeho otec objevil jako korpuskuli.
J. J. Thomson byl v roce 1908 pasován na rytíře. V roce 1918 se stal rektorem Trinity College, kde zůstal až do své smrti v roce 1940. Je pohřben ve Westminsterském opatství poblíž Isaaca Newtona a svého žáka Ernesta Rutherforda.
🔬 Vědecké objevy
Thomsonovy práce zásadně změnily pohled na stavbu hmoty a otevřely dveře moderní částicové fyzice.
⚡ Objev elektronu
Hlavní Thomsonův přínos spočíval ve zkoumání katodového záření. Pomocí vylepšené katodové trubice a vakuové pumpy provedl v roce 1897 sérii klíčových experimentů. Prokázal, že toto záření:
- Lze vychýlit elektrickým polem, což dokazovalo, že je tvořeno nabitými částicemi (předtím se vědělo jen o vychýlení magnetickým polem).
- Částice nesou záporný elektrický náboj.
- Poměr náboje a hmotnosti (e/m) těchto částic je nezávislý na materiálu katody i na druhu plynu v trubici.
Z naměřené hodnoty poměru e/m dospěl k závěru, že tyto částice, které nazval "korpuskule", jsou přibližně 1800krát lehčí než nejlehčí známý atom, vodík. Tím vyvrátil tisíce let starou představu o nedělitelnosti atomu. Tyto "korpuskule" byly později přejmenovány na elektrony. Tento objev je považován za zrod částicové fyziky.
🍮 Pudinkový model atomu
Po objevu elektronu musela být přehodnocena struktura atomu. Jelikož byl atom jako celek elektricky neutrální a obsahoval záporné elektrony, musel obsahovat i kladný náboj. V roce 1904 Thomson navrhl model, který se stal známým jako pudinkový model (anglicky plum pudding model).
Podle tohoto modelu je atom tvořen koulí s rovnoměrně rozloženým kladným nábojem, ve které jsou "jako rozinky v pudinku" rozmístěny záporné elektrony. Tento model byl prvním, který zahrnoval subatomární částice, ale byl experimentálně vyvrácen v roce 1909 experimentem Ernesta Rutherforda, který vedl k objevu atomového jádra a vzniku planetárního modelu atomu.
⚛️ Objev izotopů a hmotnostní spektrometrie
Při zkoumání "kanálového záření" (proudy kladně nabitých iontů) v roce 1912 Thomson se svým asistentem Francisem Astonem usměrnil proud iontů neonu skrze paralelní elektrické a magnetické pole. Na fotografické desce pak pozorovali dvě různé paraboly. To dokazovalo, že plyn neon se skládá ze dvou druhů atomů s různou hmotností (Neon-20 a Neon-22). Tím poprvé prokázal existenci izotopů u stabilního (neradioaktivního) prvku.
Tato technika oddělování iontů podle jejich poměru hmotnosti k náboji položila základy hmotnostní spektrometrie, která se dnes používá v mnoha oblastech chemie, biologie i fyziky.
🏆 Ocenění a odkaz
J. J. Thomson byl za svůj život mnohokrát oceněn. Kromě Nobelovy ceny (1906) a povýšení do šlechtického stavu (1908) získal řadu medailí od Královské společnosti i dalších vědeckých institucí.
Jeho největším odkazem je nejen objev elektronu, který odstartoval revoluci ve fyzice, ale také jeho role učitele a mentora. Cavendishova laboratoř pod jeho vedením vychovala generaci vědců, kteří formovali fyziku první poloviny 20. století. Na jeho počest byla pojmenována jednotka poměru hmotnosti a náboje v hmotnostní spektrometrii, thomson (Th).
💡 Pro laiky
Představte si, že po tisíce let si všichni mysleli, že nejmenší stavební kostkou světa je něco jako miniaturní, naprosto hladká a nedělitelná kulička – atom.
- Objev elektronu: J. J. Thomson jako první dokázal, že to není pravda. Zjistil, že z těchto "nedělitelných" kuliček lze "vystřelit" ještě mnohem menší částečky, které mají záporný elektrický náboj. Bylo to, jako by někdo zjistil, že cihla není z jednoho kusu, ale skládá se z písku a prachu. Těmto částečkám dnes říkáme elektrony.
- Pudinkový model: Když Thomson objevil záporné elektrony, musel vysvětlit, jak drží v atomu pohromadě. Představil si atom jako takový sladký pudink nebo bábovku. Celá bábovka představovala kladný náboj a v ní byly zapečené záporné elektrony jako rozinky. Tento model byl sice jednoduchý a brzy překonaný, ale byl to první pokus nakreslit "mapu" vnitřku atomu.
- Objev izotopů: Thomson také zjistil, že ne všechny atomy jednoho prvku jsou stejné. Představte si, že máte krabici plnou autíček stejné značky a barvy. Většina z nich váží stejně, ale pár jich má těžší motor a jsou o trochu těžší. Přesně to Thomson zjistil u prvku neon. Všechny atomy byly neon, ale některé byly "těžší" než ostatní. Těmto různě těžkým variantám jednoho prvku říkáme izotopy.