Джозеф джон томсон краткая биография. Томсон Джозеф - биография, факты из жизни, фотографии, справочная информация. Электронно-лучевые трубки Томсона

Английский физик Джозеф Джон Томсон родился в Читхэм-Хилл, пригороде Манчестера, в семье Джозефа Джеймса и Эммы (в девичестве Суинделлс) Томсон. Поскольку отец, книготорговец, хотел, чтобы мальчик стал инженером, его в возрасте четырнадцати лет послали в Оуэнс-колледж (ныне Манчестерский университет). Однако через два года отец умер, оставив сына без средств. Тем не менее он продолжил обучение благодаря финансовой поддержке своей матери и стипендиальному фонду.

За исключением его доли в небольшом правительственном гранте Королевскому обществу, который помогал всем британским университетам и всем отраслям науки, Кавендишская лаборатория не получала никакой другой государственной субсидии и не имела вкладов от благотворительных корпораций или промышленности. Подарок от преданного сотрудника позволил приобрести небольшую жидкость-воздушную машину, необходимую для исследований Томсона по положительным лучам, что значительно расширило знания о недавно обнаруженных атомных ядрах.

Более того, Томсон был выдающимся учителем; его значимость в физике зависела почти столько же от работы, которую он вдохновлял в других, как от того, что он делал сам. Семь Нобелевских премий были вручены тем, кто работал под его руководством. В этом процессе вытеснили так называемую модель слияния пула атомной структуры; последнее известно как из-за сильной поддержки, которую Томсон дал ей в течение нескольких лет.

Оуэнс-колледж сыграл важную роль в карьере Томсона, 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, Томсон поступил в Тринити-колледж 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 Тринити-колледжа и начал работать в Кавендишской лаборатории в Кембридже.

Томсон очень серьезно относился к своим преподавательским обязанностям: он регулярно читал лекции в начальных классах утром и последипломным после полудня. Он считал преподавание полезным для исследователя, поскольку он требовал от него переосмысления основных идей, которые иначе могли бы восприниматься как нечто само собой разумеющееся. Он никогда не советовал человеку, входящему в новую исследовательскую область, начать читать проделанную работу. Скорее, Томсон считал разумным, что исследователь сначала разъяснит свои собственные идеи.

В 1884 г. Дж. У. Стретт , преемник Джеймса Клерка Максвелла на посту профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории, ушел в отставку. Томсон 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 математика и физика, он активно применял максвелловскую теорию электромагнетизма, что и сочли достаточным при рекомендации его на этот пост.

Затем он мог спокойно читать сообщения других, не имея собственных взглядов, на основании предположений, что ему может быть трудно сбросить. Хотя он не был спортивным, он был энтузиастом поклонников команд по крикету и регби в Кембридже. Но его наибольший интерес за пределами физики был в растениях. Он наслаждался долгими прогулками по сельской местности, особенно в холмистых районах близ Кембриджа, где искал редкие ботанические экземпляры для своего сложного сада. Эта позиция, в которой он оставался до своей смерти, дал ему возможность встретить много молодых людей, чьи интересы лежали вне области науки.

Приступив к своим новым обязанностям в лаборатории, Томсон 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.

Электронно-лучевые трубки Томсона

Он наслаждался этими встречами и много новых друзей. В значительной степени именно Томсон создал современную науку. Исследования ядерной организации, которые продолжаются и по сей день, и дальнейшая идентификация элементарных частиц, следуют его самому выдающему достижению, его открытию электрона. Хотя эта новая физика продолжает поднимать больше теоретических вопросов, чем можно получить в настоящее время, начиная с начало его быстро вызвало практические применения в технологиях и промышленности.

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.

Полный словарь научной биографии. Томсон пришел к физике из-за отсутствия денег для ввода техники. Его отец, книготорговец, отправил его в Колледж Оуэнса, чтобы отметить время, пока ведущий инженер, которому он должен был стать учеником, имел открытие; но отец умер до того, как появилась вакансия, и семья тогда не могла позволить себе премию. С помощью небольших стипендий Томсон продолжал инженерную степень в Колледже Оуэнса, в которой были отличные научные факультеты, в том числе Осборн Рейнольдс, Генри Роско, Бальфур Стюарт и Томас Баркер, профессор математики, бывший старший спорщик.

Исследования катодных лучей и связанных с ними явлений оживились в связи с открытием Вильгельмом Рёнтгеном 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 Томсон, 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. Томсон показал, что возникающая здесь проводимость в чем-то похожа на ионную проводимость при электролизе в растворе.

По совету Баркера Томсон остался в Оуэнсе, чтобы работать на стипендию для входа в математику, предложенную старым колледжем Баркера, Тринити. Он читал для математического трипоса, который в то время охватывал широкий спектр чистой математики, а также приложения для многих отраслей физики. Чтобы «пререкаться» успешно, то есть размещать высоко в списке трипсов, нужно было отличное средство при вычислении и способность справляться с такими моделями или «физическими аналогами», которые ценили школа Кельвина, Стокса и Максвелл.

Раута, сделал не больше, чем положил ногу в лабораторию Кавендиша и никогда не встречался с Максвелом, чья работа заключалась в том, чтобы вдохновить его. Томсон остался в Троице, которая присудила ему стипендию. Он следил за тремя линиями математической работы, по-видимому разнообразными по содержанию и стилю, но формируя последовательную группу для учеников Максвелла и продолжая исследования интересов для себя. Он редко отказывался от идеи, которую он когда-то разрабатывал.

Выполнив со своими студентами весьма плодотворное исследование проводимости в газах, Томсон, 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, Томсон 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.) Томсон 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».

В практике Максвелла есть игра, а иногда и напряжение, между продвигающейся теорией путем разработки специальных механических моделей или аналогов и выведения основных уравнений из самых общих динамических отношений. В первом настроении, например, Максвелл дошел до уравнений электромагнетизма с помощью продуманной картины гидродинамического приспособления, предполагаемого ответственным за явления; во втором он получил их непосредственно из лагранжиана, построенного по известным соотношениям между измеримыми величинами.

Преимущество второй процедуры, как подчеркивал Максвелл, заключается в том, что не нужно ничего знать о «механизме» на работе. Преимущество первой процедуры заключается в том, что, как сказал бы Томсон, она фиксирует идеи, помогает памяти и, прежде всего, предлагает неожиданные новые направления экспериментов.

Метод, предложенный Томсоном, 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.

Здесь атомы газа представлены в виде реентерабельных вихрей в фрикционной жидкости, скорее как дымовые кольца в воздухе; но вихри, в отличие от колец, вечны и поэтому могут воспроизводить постоянство викторианского атома. В этом смысле теория атома вихря, пожалуй, самая фундаментальная из всех начатых, поскольку она надеялась ничего не делать, кроме нескольких совершенств своей примитивной жидкости и чистого математического анализа. «Трудности этого метода огромны, - писал Максвелл, - но слава их преодоления была бы уникальной».

Трамвай Томсона - это, пожалуй, самый славный эпизод в этой безнадежной борьбе. Майера, как интерпретировал Кельвин. На основании своего кинетического представления магнетизма Кельвин предположил, что для каждой устойчивой схемы, найденной Майером, должен быть аналог, образованный прямыми столбчатыми вихрями. Пусть силы всех вихревых атомов кратны, чем силы водорода, взятые как единое целое. У атома кислорода явно есть сила два. У углерода также есть свои двусмысленности; и вообще таблица валенсий, с которой Томсон закончил свой Трактат, бесполезен для химика.

Найденное таким образом значение e/m для катодных «корпускул» (как называет их Томсон) 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 Томсон, 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.

Джозеф Джон Томсон биография кратко

Но для него было совершенно характерно, по крайней мере, в отношении «конечных» теорий - удовлетворять грубому качественному соглашению между экспериментом и количественным результатам, которые он извлек при большой рабочей силе из простых механических представлений. Значительная часть его важной работы по атомной структуре, теории химического воздействия и природы света, которые он разработал в конце жизни, показывают одну и ту же любопытную процедуру: точный расчет и изобретательная аналогия, применяемая с большой виртуозностью, для обеспечения только грубой подгонки с несколько данных.

Эта догадка подтвердилась, когда Томсон 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».

Научный затворник? Это не про Томсона

Без сомнения, этот метод, а точнее настроение, отнюдь не характеризует всю работу Томсона - помог ему в этих «счастливых интуициях» и «вдохновленных обобщениях», в «изобилии идей» и «бесконечной плодовитости в изобретении», что привело и произвел впечатление на его современников.

Но это был также метод, который стал стерильным пропорционально его успеху; ибо его качественные завоевания подготовили путь к точной физике, которая не нуждалась в этом. Вторая линия ранних исследований Томсона происходит от феноменологического напряжения Максвелла. В рамках диссертации, написанной для его общения, он разработал идею, которая возникла у него в Колледже Оуэнса и к которой он вернется, - что потенциальная энергия данной системы может быть заменена кинетической энергией мнимых масс, связанных с это соответствующим образом.

Томсон 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.

Это понятие, предвосхитившее более известную схему Генриха Герца, можно было бы сделать аналитическим, используя форму уравнений Лагранжа, разработанную Раутом. Поэтому из проверки лагранжиана нельзя не только определить основополагающий механизм, но, как правило, нельзя сказать, стоит ли стоять перед обычной системой или с тёмнонскими массами.

Как и Максвелл, Томсон был готов использовать этот результат двумя способами. Томсон имел в виду теорию, такую ​​как атом вихревого кольца. Но, во-вторых, тот факт, что данный лагранжиан совместим с любым числом моделей, является сильной рекомендацией по их устранению, тем более что основная цель физики - открытие новых явлений - может быть достигнута только путем манипулирования соответствующим лагранжианом в в установленном порядке. В серии работ, лекций и книги «Приложения динамики» Томсон продемонстрировал, как догадываться о терминах в лагранжиане из рассмотрения известных явлений и как из термина, который однажды признался, вывести существование и величины других последствия.

Томсон 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 Томсона 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, Томсон и в самом деле открыл дверь в новую эру физической науки.

Он также показал, что среднее время лагранжиана может играть роль энтропии в некоторых проблемах, обычно выполняемых вторым законом термодинамики. Одним из его самых важных вкладов в эту линию было развитие понятия, возможно, оригинального с ним, что электричество течет точно так же в металлах, как и в электролитах.

Три характеристики этих приложений заслуживают внимания. Во-первых, Томсон показывает себя мастером литературы, не исключая соответствующие документы немецких экспериментаторов. Он должен был полностью следить за журналами до первой мировой войны. Во-вторых, умеренная феноменология приложений, работа, которая избегает спецификации динамических процессов, повторяется в большей части поздней работы Томсона. Его новаторская теория проводимости электричества в газах, например, просто предполагает существование ионов и описывает их поведение не в терминах электродинамики их взаимодействий, а через параметры, особенно меры подвижности и рекомбинации, которые фиксируются эксперимент.

Между 1906 и 1914 гг. у Томсона 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, Томсон с коллегами пролили свет на их характеристику, выделили различные типы атомов и атомных групп в этих лучах. В своих опытах Томсон продемонстрировал совершенно новый способ разделения атомов, показав, что некоторые атомные группы, такие, как СН, СН 2 и СН 3 , 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.

Только позже он набросал теорию процесса ионизации. В-третьих, Томсон, как и большинство из Кембриджской школы математических физиков, считал само собой разумеющимся, что подходящий лагранжиан всегда можно найти или, другими словами, что в принципе все физические явления могут быть объяснены механически. Кроме того, он думал, что то или иное из возможных динамических объяснений данного явления, существование которого гарантируется лагранжианом, должно быть сделано явным, когда это возможно. В этом настроении, в отличие от теоретика вихревых атомов, Томсон не требовал, чтобы модели различных явлений были согласованными между собой и что они избегают действия на расстоянии; но они допускают только те виды сил и взаимодействия, с которыми физики знакомы со времен Ньютона.

Во время первой мировой войны Томсон работал в Управлении исследований и изобретений и был советником правительства. В 1918 г. он возглавил Тринити-колледж. Год спустя Резерфорд сменил его на посту профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории. После 1919 г. деятельность Томсона 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. Томсон умер 30 августа 1940 г. и был похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне. Томсон 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 Томсона, семеро стали в свое время лауреатами Нобелевской премии. В дополнение к Нобелевской премии Томсон 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.

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.

Литература

Томсон Дж. Электрон в химии . М. - Л., 1927
Томсон Дж. Электричество и материя . М. - Л., 1928
Гнедина Т.Е. Открытие Джи-Джи (Томсона ). М., 1973

Поделиться: