Thomson, José Juan

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José Juan Thomson
inglés  José Juan Thomson

Fecha de nacimiento 18 de diciembre de 1856( 1856-12-18 )
Lugar de nacimiento Colina de Cheetham , Reino Unido
Fecha de muerte 30 de agosto de 1940 (83 años)( 30 de agosto de 1940 )
Un lugar de muerte Cambridge , Reino Unido
País
Esfera científica física
Lugar de trabajo Universidad de Cambridge
alma mater Universidad de Manchester Universidad de
Cambridge
consejero científico John William Strett
Estudiantes Charles Barkla
Charles Wilson
Ernest Rutherford
Francis Aston
Robert Oppenheimer
Owen Richardson
William Bragg
Max Nacido
Paul Langevin
John Townsend
Van der Pol, Balthazar
Taylor, Jeffrey Ingram
Zeleny, John
Comstock, Daniel Frost
Laby, Thomas Howell
Allen, Herbert Stanley
Conocido como El modelo del átomo de Thomson
Descubrimiento del electrón
Descubrimiento de los isótopos
Inventó el espectrómetro de masas
La relación entre la masa de una partícula y su carga
El problema de Thomson
Rayos delta Rayos
épsilon
Thomson (unidad de medida)
Primera guía de ondas de radio
Dispersión de Thomson
Premios y premios Medalla Real (1894) Premio Nobel de Física ( 1906 )
premio Nobel
Autógrafo
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Sir Joseph John Thomson ( ing.  Joseph John Thomson ; 18 de diciembre de 1856  - 30 de agosto de 1940 ) - Físico inglés , ganador del Premio Nobel de Física en 1906 con la frase "por su investigación sobre el paso de la electricidad a través de los gases".

Sus investigaciones más significativas son [1] :

Miembro (1884) y presidente (1915-1920) de la Royal Society of London [2] , miembro extranjero de la Academia de Ciencias de París (1919; corresponsal desde 1911) [3] , miembro correspondiente extranjero de la Academia de Ciencias de San Petersburgo Ciencias (1913) y miembro honorario de la Academia Rusa de Ciencias (1925) [4] .

Biografía

Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetham Hill, cerca de Manchester , hijo de Joseph James Thomson y su esposa, de soltera Emma Swindellt. Su padre era escocés nativo y dirigía el negocio familiar de publicación y venta de libros en Manchester. A instancias de su padre, se puso de aprendiz en una empresa de ingeniería, pero debido a las dificultades para encontrar trabajo, fue enviado temporalmente al Owens College de Manchester. Thomson consideró este conjunto de circunstancias más o menos fortuitas como un punto de inflexión en su vida. Durante su tiempo en Owens College, fue influenciado por el físico Balfour Stewart , el ingeniero Osborne Reynolds y el matemático Thomas Barker [5] .

Sus habilidades matemáticas y científicas pronto se notaron, Balfour Stewart lo involucró en varios estudios físicos y finalmente publicó un breve artículo "Experimentos sobre la electricidad de contacto entre no conductores" [6] en Transactions of the Royal Society . Mientras estudiaba en el Owens College conoció a Arthur Schuster y John Henry Poynting , con quienes entabló una amistad de por vida.

Siguiendo el consejo de Barker, abandonó la idea de una carrera en ingeniería e ingresó en el Trinity College de Cambridge en octubre de 1876 , donde recibió su licenciatura en 1880 . Después de este punto, su vida transcurrió casi por completo en Cambridge, con la excepción de algunos viajes cortos a América . Su educación matemática en Cambridge estuvo en gran parte bajo la dirección de E. J. Root . Thomson no estuvo entonces ni en tiempos posteriores bajo la influencia personal de James Clerk Maxwell .

Después de recibir su licenciatura, se convirtió en asociado del Trinity College y comenzó su investigación en física matemática y experimental. Su trabajo matemático inicial consistió en el desarrollo de la teoría electromagnética y la aplicación de los métodos dinámicos de Lagrange a problemas de matemáticas y física. Estos estudios, dirigidos por Lord Rayleigh , se resumieron posteriormente en el libro "Aplicación de la dinámica a la física y la química" [7] , pero los resultados obtenidos por él durante este período no resistieron la prueba del tiempo.

Tras la jubilación de Lord Rayleigh como profesor de Cavendish en Cambridge a fines de 1884, se eligió a Thomson para reemplazarlo. A pesar de su juventud (Thomson tenía unos 27 años en ese momento), demostró ser un líder capaz del Laboratorio Cavendish . Él mismo era un experimentador promedio y tenía un conocimiento relativamente pobre de los procesos mecánicos, pero, sin embargo, sus habilidades sobresalientes y su ingenio natural superaban con creces estas deficiencias.

En 1890 se casó con Rose Paget , hija de Sir George Paget . Sus hijos de este matrimonio fueron George Paget Thomson (1892-1975), más tarde profesor de física y Premio Nobel de Física de 1937 por el descubrimiento de la difracción de electrones por cristales , y la señorita Joan Thomson .

Las siguientes décadas de trabajo al frente del Laboratorio Cavendish en Cambridge fueron las más productivas de su vida. Así pues, es a este período al que pertenecen todas las investigaciones de Thomson sobre el paso de la electricidad a través de los gases, por las que recibió el Premio Nobel de Física en 1906 .

Hacia el final de la guerra, en 1918 , con la muerte del Dr. G. Montagu Butler, el puesto de director del Trinity College de Cambridge, que había sido ofrecido a Thomson por Lloyd George , quedó vacante . Al mismo tiempo, mantuvo la cátedra Cavendish hasta el final de la guerra, cuando fue sucedido en el cargo por su alumno Rutherford . Sin embargo, continuó trabajando en el Laboratorio Cavendish durante varios años más, pero la investigación posterior resultó ser incomparable en importancia con las de antes de la guerra.

De 1914 a 1916, Joseph John Thomson fue presidente de la Sociedad de Físicos de Londres . [ocho]

En 1915 se convirtió en presidente de la Royal Society de Londres , sucediendo a Sir William Crookes , cargo que ocupó hasta 1920 . Según las memorias de sus contemporáneos, siempre estaba listo para la discusión en las reuniones de la sociedad, incluso si el artículo no pertenecía al área de sus intereses científicos, lo que excluía la posibilidad de cualquier consideración superficial. La disposición para el diálogo y la estimulación personal, sumada a la autoridad en el campo científico, lo convirtieron en un valioso científico y fuente de inspiración para muchos investigadores.

De 1921 a 1923, J. J. Thomson se desempeñó como presidente del Instituto de Física .

Thomson murió en Cambridge el 30 de agosto de 1940 a la edad de 83 años. [una]

Actividad científica

Investigación de la conductividad de los gases

Sus primeras investigaciones sobre la descarga de electricidad a través de gases fueron muy variadas. Estaba buscando un punto de partida desde el cual pudiera comenzar una justificación teórica adecuada de una gran variedad de datos experimentales obtenidos.

La principal dificultad de la investigación en esta área estaba asociada con la presencia de electrodos metálicos , y Thomson creía que si la descarga eléctrica se hubiera obtenido sin el uso de electrodos (y, por lo tanto, sin que ocurrieran procesos secundarios en la superficie de contacto de los electrodos con el gas). ), entonces tal experimento podría ser el punto de partida para explicar este fenómeno. Esta consideración fue la base para el estudio de la descarga sin electrodos. Estos estudios proporcionaron un método experimental importante, que se usó en varias direcciones, en particular, para el estudio del resplandor residual en gases y varios estudios espectrales, sin embargo, como método para estudiar el mecanismo de descarga, resultó ser esencialmente inútil debido a la naturaleza discontinua de la descarga inducida, lo que dificulta las mediciones cuantitativas. Thomson pasó mucho tiempo estudiando la electrólisis del vapor y determinando la velocidad aparente con la que se propaga el resplandor a lo largo de un largo tubo de vacío. Sin embargo, estos estudios tampoco cumplieron con las expectativas. El período más fructífero de investigación de Thomson sobre la descarga eléctrica comenzó con el descubrimiento de los rayos X en 1896 .

Al experimentar con él, Thomson pronto descubrió que los gases expuestos a los rayos X comienzan a transmitir electricidad bajo la influencia de un pequeño voltaje aplicado . Este tipo de conducción era claramente diferente de la que se producía durante el paso de una chispa , ya que una chispa siempre requiere una tensión de al menos 300 voltios en las condiciones más favorables, mientras que la conducción bajo la influencia de los rayos X se observa a una voltaje mucho menor. El descubrimiento de este tipo de conducción se hizo simultáneamente en otros laboratorios, pero fue en el Laboratorio Cavendish donde se desentrañó su mecanismo. Thomson y Rutherford publicaron un importante artículo [9] en el que se demostró que la función de los rayos X era liberar iones cargados de un gas que se movía bajo un voltaje aplicado y así crear portadores de carga. Si se apagara la radiación, estos iones se recombinarían para formar moléculas neutras . Por otro lado, en presencia de rayos X, la corriente de paso dependía del voltaje aplicado. Si era pequeño, los iones se movían lentamente, venciendo la resistencia del aire circundante, y solo fluía una pequeña corriente , y la mayoría de los iones formados se descargaban por recombinación. Si el voltaje aplicado era significativo, el movimiento de los iones se hacía tan rápido que no tenían tiempo de recombinarse antes de llegar a los electrodos. En este caso, todos los iones formados bajo la acción de la radiación estuvieron involucrados en la transferencia de carga y no se consumieron como resultado de la recombinación, y la corriente resultante alcanzó su valor máximo, y un aumento adicional en el voltaje en estas condiciones no pudo aumentarlo. . Esta corriente máxima fue llamada "corriente de saturación" por Thomson y todavía lleva este nombre. A medida que aumentaba la distancia entre los electrodos, también aumentaba la corriente de saturación. Este comportamiento no se correspondía con los datos sobre la conductividad eléctrica de los metales o las soluciones electrolíticas y constituía una prueba convincente de la corrección de la interpretación de este fenómeno.

Poco después, otros miembros del laboratorio, incluidos Rutherford y Zeleny , encontraron la velocidad absoluta de los iones en el aire bajo la acción de un gradiente de potencial que, como era de esperar, resultó ser proporcional al voltaje aplicado.

Estudio de los rayos catódicos, descubrimiento del electrón

Después de explicar el mecanismo de descarga de gas bajo la irradiación de rayos X, Thomson se dedicó a un estudio más detallado de la naturaleza de los rayos catódicos . Esta cuestión le preocupó durante muchos años, y siempre se inclinó por el punto de vista, defendido por Varley y Crookes , de que estos rayos consisten en partículas cargadas negativamente que emanan del cátodo , en contraste con la opinión de los físicos alemanes Goldstein , Hertz y Lenard , quien consideró que son ondas que atraviesan el éter. Thomson estuvo influenciado principalmente por el hecho de que estos rayos se desviaban en un campo magnético en una dirección transversal a su movimiento. Nunca antes de ese momento había dudado que las partículas cargadas fueran moléculas o átomos . Cuantificando la desviación magnética, comenzó a dudar si tal visión era confiable, ya que la desviación era sustancialmente mayor de lo que predecía esta hipótesis. Algunos de los investigadores anteriores han buscado la desviación electrostática de los rayos catódicos, pero no la han encontrado bajo condiciones igualmente simples. Thomson se inclinó a pensar que el fracaso de estos experimentos se debió a la conductividad del gas residual y, trabajando en un vacío muy alto , pudo obtener una desviación electrostática. Combinando datos sobre la desviación electrostática y magnética, pudo obtener la velocidad de las partículas en los haces y la relación entre su carga y su masa. Este valor resultó ser diferente del valor encontrado para los átomos de hidrógeno durante la electrólisis . Suponiendo que la carga era la misma en ambos casos, se deducía de los datos experimentales que la masa de las partículas de rayos catódicos era muy pequeña en comparación con la masa del átomo de hidrógeno. Thomson confirmó aproximadamente este valor de la relación masa-carga mediante mediciones calorimétricas de la energía transportada por los haces al mismo tiempo que la carga transferida por ellos. En ese momento, aún no estaba seguro de la igualdad de las cargas de las partículas del cátodo y los átomos de hidrógeno durante la electrólisis.

El siguiente paso fue determinar el valor absoluto de la carga de iones obtenidos en el aire bajo la influencia de los rayos X. Lo hizo utilizando el descubrimiento de C. T. R. Wilson de que estos iones podrían actuar como centros de condensación para gotas de líquido. Se hizo posible formar una nube que contenía una cantidad conocida de vapor de agua y un número de gotas igual al número de iones. A partir de la tasa de sedimentación de las gotitas, fue posible calcular el tamaño de las gotitas y su número, y así determinar el número de iones formados. Conociendo su carga total, fue posible determinar la carga de un ion, que resultó ser igual a 6,5· 10 −10 Fr. Tomando el valor del peso absoluto del átomo de hidrógeno de la teoría cinética , resultó probable que el valor de la carga del ion fuera igual a la carga del átomo de hidrógeno en la electrólisis.

En ese momento, no se había establecido ningún experimento en el que fuera posible determinar simultáneamente la carga y la relación masa-carga de una partícula de rayos catódicos. Thomson vio la posibilidad de determinar simultáneamente estas cantidades para partículas que arrastran una carga negativa cuando la radiación ultravioleta incide sobre el zinc . Desarrolló un método para determinar la relación masa-carga para ellos y la carga de una partícula por el método de condensación por gota. El propósito del experimento era mostrar sin ambigüedades que estas partículas tienen una masa del orden de una milésima parte de la del hidrógeno y una carga igual a la del átomo de hidrógeno en la electrólisis. Thomson, en sus primeras publicaciones, denominó a estas partículas corpúsculos , luego comenzó a utilizar la palabra “ electrón ”, que anteriormente fue utilizada por George Johnston Stoney en un caso mucho menos específico.

Thomson pasó a desarrollar en detalle el concepto de electrones como partículas que forman el átomo . A partir de la conclusión del experimento de Barkle sobre la dispersión de rayos X por el aire y otros gases, determinó que el número de electrones en un átomo depende del peso atómico. Thomson propuso un modelo de un átomo [10] , que consiste en una esfera cargada positivamente en la que los electrones están en equilibrio estático estable con su repulsión y atracción mutuas hacia una esfera cargada positivamente, y pudo demostrar que tal modelo tendría propiedades si los electrones fueran recogidos en anillos sucesivos a medida que aumenta su número. El modelo de Thomson proporcionó esencialmente la misma base para la ley periódica que los modelos más avanzados basados ​​en el núcleo atómico, que Bohr derivó a partir de datos espectrales. Más tarde, Thomson ideó el concepto de conducción metálica en términos del movimiento de electrones libres en un metal. [once]

El estudio de los "rayos anódicos" y el comienzo de la espectrometría de masas

Otro gran período de la actividad experimental de Thomson en 1906-1914 está asociado con el trabajo sobre el fenómeno de los rayos cargados positivamente (ánodo). Goldstein descubrió los rayos cargados positivamente durante la descarga de tubos que tenían un orificio en el cátodo a baja presión. Pasaron en el espacio libre de fuerza detrás del cátodo. V. Win demostró que estos rayos son de naturaleza corpuscular y llevan una carga positiva. Más tarde estableció que estas partículas tenían dimensiones atómicas.

Cuando Thomson abordó este tema, aún nadie había logrado separar los diferentes tipos de átomos que podían representarse en estos rayos, y ese fue su gran logro. El método de Thomson consistía en utilizar campos tanto magnéticos como electrostáticos , que daban desviaciones a lo largo de coordenadas perpendiculares . Los rayos se fijaron en una placa fotográfica y las coordenadas medidas a partir de la imagen dieron desviaciones magnéticas y electrostáticas separadas.

Thomson consideró importante llevar a cabo estos experimentos a la presión de gas más baja posible para evitar el proceso secundario asociado con la ganancia o pérdida de carga por partículas en movimiento. Al realizar un experimento en estas condiciones, se encontró que la imagen obtenida en una pantalla fluorescente o placa fotográfica es una serie de parábolas con un vértice común en el punto de desviación cero y ejes paralelos a la dirección de la desviación electrostática. Cada una de estas parábolas correspondía a un tipo de átomo o grupo atómico con una carga específica, y cada punto de la curva correspondía a una velocidad de partícula diferente . Así, se comprobó la presencia de una gran variedad de átomos y grupos atómicos en un tubo de descarga, cuya naturaleza podría determinarse por el valor de las coordenadas de la figura, conociendo los valores de los campos electrostático y magnético. También se desarrolló un método fundamentalmente nuevo de análisis químico, y los métodos químicos dieron una confirmación general de los resultados obtenidos. Este método se llama " espectrometría de masas ". Se demostró, por ejemplo, que un átomo de mercurio puede tomar una carga diferente, igual en módulo de uno a siete cargas de electrones. Otro resultado muy importante fue el hecho de que el neón mostró en este experimento dos parábolas diferentes, una referida a una masa atómica de 20 y la otra a una masa atómica de 22. Esta fue la primera evidencia de la existencia de isótopos estables no radiactivos . En estos experimentos, Thomson fue asistido por el Dr. F. W. Aston , quien desarrolló estas ideas de forma independiente y recibió el Premio Nobel de Química en 1922 por su investigación en espectrometría de masas.

Actividades administrativas y docentes

Mientras se desempeñaba como profesor de Cavendish y director del Laboratorio de Física de Cavendish en Cambridge , Thomson logró el éxito en la creación de una escuela experimental única. En ese momento, hasta 40 investigadores trabajaron simultáneamente bajo su liderazgo, incluidos, con bastante frecuencia, profesores de universidades estadounidenses y continentales. Como consecuencia, una gran cantidad de cátedras de física en países de habla inglesa fueron ocupadas en varias ocasiones por sus antiguos alumnos.

Esto se vio facilitado en gran medida por el hecho de que durante el mandato de Thomson como profesor Cavendish en la Universidad de Cambridge, surgió un esquema que permitía a los graduados de otras universidades obtener un diploma de Cambridge a través del trabajo de investigación durante dos años. Este esquema no se desarrolló con un enfoque especial en la ciencia en general o la física en particular, pero resultó tener una demanda especial dentro de las paredes del Laboratorio Cavendish. Las publicaciones de Thomson, y en particular sus "Investigaciones recientes sobre electricidad y magnetismo" [12] , publicadas en 1893 como complemento de un tratado de James Clerk Maxwell , difundieron ampliamente su fama, lo que atrajo a muchos científicos talentosos de universidades coloniales y extranjeras a la Laboratorio Cavendish. Entre ellos estaban E. Rutherford de Wellington College , Nueva Zelanda , J. S. Townsend de Trinity College , Dublín , J. A. McClellaland de la Universidad de Dublín , J. C. McLennan de Toronto , P. Langevin de París, y varios otros. Además, entre ellos estaban C. T. R. Wilson, W. C. D. Wetham (más tarde Dampier ) y otros que estaban en libertad condicional en Cambridge .

Durante la Primera Guerra Mundial , de 1914 a 1918, Thomson se dedicó principalmente al trabajo de asesoramiento y comisión en la Junta de Invención e Investigación de Lord Fisher , de la que era miembro. Este trabajo y las oportunidades que le brindaba de contactar con un círculo de colegas más amplio que antes, le resultó muy interesante.

Continuó la labor de captación de nuevos investigadores al frente del Trinity College , donde trabajó hasta el final de su vida.

Cualidades personales y aficiones

Durante sus estudios en Cambridge , no participó en deportes, aunque entonces y más tarde mostró un fuerte interés en los logros de los demás. Como director del Trinity College, también estaba interesado en los deportes competitivos, y nada podría haber sido más satisfactorio que ver un buen partido de fútbol o ver al equipo de remo de Trinity en el río. Se podía ver incluso en carreras menores. Se regocijó sinceramente con las invitaciones a una cena estudiantil informal, y le pareció que traía más alegría que muchos de los eventos solemnes a los que se vio obligado a asistir debido a su posición.

Joseph John Thomson no hablaba ningún idioma extranjero y rechazó cualquier intento de hablar incluso en francés, confiando completamente en su esposa como intérprete. Aunque podía leer francés y alemán con fluidez, nunca escribió ni habló esos idiomas. Fluidez en esperanto.

Como presidente del consejo del Trinity College, nunca perdió la calma en las disputas políticas, incluso a pesar de los comentarios a veces groseros de personas que tenían puntos de vista diferentes a los suyos. Creía que era mejor ignorar tales transgresiones y, por lo tanto, olvidarlas más rápidamente.

Thomson tenía una habilidad notable para la actividad financiera y de manera discreta administró sus inversiones con tanto éxito que pudo amasar una fortuna decente, comenzando con un capital extremadamente pequeño. Esta vertiente de su obra suele ser mucho menos conocida, a pesar de que siempre ha mostrado interés por los principios de funcionamiento tanto de las pequeñas empresas como de los grandes sistemas financieros.

Según las memorias de sus contemporáneos, era un jardinero entusiasta y mostraba gran interés en la selección de plantas y bulbos para su jardín, aunque no ponía mucho esfuerzo físico en ello. [una]

Honores y premios

Joseph John Thomson fue miembro de numerosas sociedades científicas, entre ellas la Royal Society of London y el Institute of France , así como ganador de numerosos premios y galardones, entre los que se encuentran los siguientes:

En 1970, la Unión Astronómica Internacional nombró un cráter en el lado oculto de la Luna en honor a Joseph John Thomson .

Notas

  1. ↑ 1 2 3 Rayleigh. JOSEPH JOHN THOMSON  //  Avisos de obituario de los miembros de la Royal Society. - 1941. - vol. 3 , núm. 10 _ - Pág. 586-609 . -doi : 10.1098/ rsbm.1941.0024 .
  2. Thompson; Señor; José Juan (1856 - 1940); Knight Physicist // Sitio web de la Royal Society of London  (inglés)
  3. Les membres du passé dont le nom begin par T Archivado el 6 de agosto de 2020 en Wayback Machine  (FR)
  4. Perfil de Sir Joseph John Thomson en el sitio web oficial de la Academia Rusa de Ciencias
  5. Robert John Strutt (1941). "José John Thomson, 1856 - 1940" . Memorias biográficas de los miembros de la Royal Society . 3 (10): 587–609. DOI : 10.1098/rsbm.1941.0024 .
  6. José Thomson (1876). “XX. Experimentos sobre electricidad de contacto entre no conductores” . Actas de la Royal Society . 25 (171-178): 169-171. DOI : 10.1098/rspl.1876.0039 .
  7. JJ Thomson. Aplicaciones de la dinámica a la física y la química . — Macmillan, 1888.
  8. Información archivada desde el original el 12 de enero de 2003. from NAHSTE Archivado desde el original el 1 de octubre de 2006. (Ayuda a la navegación para la historia de la ciencia, la tecnología y el medio ambiente). Lewis, John J. The Physical Society and Institute of Physics 1874-2002  . - Instituto de Publicaciones de Física , 2003. - ISBN 0-7503-0879-6 .
  9. JJ Thomson, E. Rutherford. Sobre el paso de la electricidad a través de gases expuestos a los rayos Röntgen // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - 1896. - T. 42 , N º 258 . - S. 392-407 . -doi : 10.1080 / 14786449608620932 .
  10. JJ Thomson. XXIV. Sobre la estructura del átomo: una investigación de la estabilidad y períodos de oscilación de un número de corpúsculos dispuestos a intervalos iguales alrededor de la circunferencia de un círculo; con la aplicación de los resultados a la teoría de la estructura atómica // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. - T. 7 , n º 39 . - S. 237-265 .
  11. JJ Thomson. Conducción de electricidad a través de metales // Actas de la Sociedad Física de Londres. - 1914. - T. 27 , N º 1 . - art. 527 .
  12. JJ Thomson. Investigaciones Recientes en Electricidad y Magnetismo . —Oxford: Clarendon, 1893.

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