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约瑟夫·汤姆孙

Sir Joseph John Thomson
约瑟夫·汤姆孙爵士
约瑟夫·汤姆孙
出生 1856年12月18日
英国曼彻斯特
逝世 1940年8月30日
英国剑桥
居住地 约瑟夫·汤姆孙
英国
国籍 约瑟夫·汤姆孙
英格兰
研究领域 物理学家
任职于 剑桥大学
普林斯顿大学
耶鲁大学
母校 曼彻斯特维多利亚大学
剑桥大学
博士导师 约翰·斯特拉特约瑟夫·汤姆孙

爱德华·劳思
博士学生 查尔斯·威耳逊约瑟夫·汤姆孙

欧内斯特·卢瑟福约瑟夫·汤姆孙

约翰·西利·汤森德
欧文·理查森约瑟夫·汤姆孙

威廉·亨利·布拉格约瑟夫·汤姆孙

爱德华·阿普尔顿约瑟夫·汤姆孙
其他著名学生 查尔斯·巴克拉约瑟夫·汤姆孙

弗朗西斯·阿斯顿约瑟夫·汤姆孙

罗伯特·奥本海默
马克斯·玻恩约瑟夫·汤姆孙

保罗·朗之万
杰弗里·泰勒
尼尔斯·玻尔约瑟夫·汤姆孙
著名成就 葡萄干布丁模型
电子
同位素
质谱
电磁波导
汤姆孙散射
获奖 约瑟夫·汤姆孙
诺贝尔物理学奖(1906年)
科普利奖章(1914年)
签名
约瑟夫·汤姆孙
备注
其子约瑟夫·汤姆孙
乔治·汤姆孙

约瑟夫·汤姆孙爵士,OMFRS英语Sir Joseph John Thomson,1856年12月18日-1940年8月30日),英国物理学家电子的发现者。

汤姆孙1856年出生于英格兰曼彻斯特附近,苏格兰人家庭。他在曼彻斯特的欧文学院学习了工程学,搬到了剑桥大学三一学院。1884年他成为卡文迪许物理学教授,即卡文迪许实验室主任。1890年他与露丝·佩杰特结婚,并养育了两个孩子。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。 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

几个科学家,如威廉·普朗特诺曼·洛克耶曾经提出原子应该从基本的单元建立起,而他们假设这个原子最小的单位元为氢。在1897年,汤姆森为第一个提出一个基本单位元小于原子的1000倍,此为亚原子粒子,现在则被称为电子。汤姆森透过阴极射线而发现这样的性质。在1897年4月30日,汤姆森发现并提出莱纳德光线在空气中行走的距离比原本预计的一个原子大小的粒子还要更远。他透过实验测量阴极射线碰撞热接面以及比较阴极射线发生磁偏转时所产生的热量并计算阴极射线的质量。他的实验提出,阴极射线比氢原子轻1000倍,而且它的质量取自于原子的类型,无论去自于哪里都一样。他的结论是,阴极射线非常轻且存在于带负电的粒子,而带负电的粒子是广布于原子中的建构粒子,他称此粒子为“微粒”,而微粒就是现在所认识的电子,但是在汤姆森实现发现前早在1891年时,电子曾经被乔治·斯托尼提出过。

在1897年4月汤姆森提出,阴极射线可以电偏转。一个月后汤姆森宣布有关微粒的研究,他提出如果可以抽空放电管到非常低的电压,他发现他可以有效地透过电场偏转阴极射线。经由比较电场磁场偏转后得到的质量更为完整,而测量结果的电荷比也证实了他先前的估计,这也成为了测定电子与质量著名的方法。

同位素与质谱法

在1912年,汤姆森深入研究阴极射线的组成部分,汤姆森和他的研究助理弗朗西斯·阿斯顿透过电场和磁场引导氖离子流,并且透过感光板测量在其路径中的偏转程度。他们观察在照相底片上两个贴片上的光,这说明了光的偏转产生了两条不同的抛物线,并且得到的结论是氖离子流是由两个不同的原子质量(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·索迪以前提出过利用同位素的存在可以解释某些放射性物质的衰变,而这也是发现同位素为一个稳定的元素的第一个证据。

约瑟夫.汤姆森透过质量分离氖离子流而发现氖同位素为第一个实例,随后这个方法经由阿斯顿和登普斯特一同改善并且发展成一般普遍的方法。

其他

1905年,汤姆森发现了钾的天然放射性同位素。

以前的理论中允许氢原子有不同数量的电子,在1906年,汤姆森证明了每一个氢原子只有一个电子。

阴极射线实验

阴极射线磁偏转的实验

汤姆森首先研究有关阴极射线的电磁偏转。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(Jean Baptiste Perrin)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,接着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。

实验证明阴极射线可电偏转

延伸阅读

  • Dahl, Per F., "Flash of the Cathode Rays: A History of J.J. Thomson's Electron". Institute of Physics Publishing. June, 1997. ISBN 0-7503-0453-7

乔治·汤姆孙

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查尔斯·汤姆森·里斯·威尔逊

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汤姆

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