Сър Джоузеф Джон Томсън (Sir Joseph John Thomson)
18 декември 1856 г. – 30 август 1940 г.
Нобелова награда за физика, 1906 г.
(Като признание за изключителните му заслуги в областта на теоретичните и експерименталните изследвания на електропроводимостта в газовете.)
Английският физик Джоузеф Джон Томсън е роден в Читхъм хил, предградие на Манчестър, в семейството на Джоузеф Джеймс и Ема Томсън (Суинделс). Тъй като баща му, търговец на книги, иска момчето да стане инженер, на четиринадесет години то е изпратено в Оуенс колидж (днес Манчестърски университет). Но след две години бащата умира, оставяйки сина си без средства. Въпреки това Томсън продължава учението си с финансовата подкрепа на майка си и на стипендиантски фонд.
Оуенс колидж изиграва важна роля за кариерата на Томсън, защото има превъзходно обзаведен факултет и за разлика от повечето колежи по това време в него се четат лекции по експериментална физика. Като получава в Оуенс званието инженер (1876 г.), Томсън постъпва в Тринити колидж на Кеймбриджския университет. Тук той учи математика и прилагането и към задачите на теоретичната физика. Степента бакалавър по математика получава през 1880 г. На следващата година е избран за член на научния съвет и започва да работи в кеймбриджската лаборатория Кавендиш.
През 1884 г. Дж.У.Страт, наследник на Джейм Клерк Максуел на поста професор по експериментална физика и директор на лабораторията Кавендиш, излиза в оставка. Томсън заема освободеното място, въпреки че по това време е само на двадесет и седем години и не е постигнал още някакви забележителни успехи в експерименталната физика. Но е ценен много като математик и физик едновременно, реализира активно теорията на Максуел за електромагнетизма и това се приема за достатъчно при препоръката да заеме поста.
Пристъпвайки към новите си задължения в лабораторията, Томсън решава, че основно направление в изследванията му трябва да стане изучаването на електропроводимостта на газовете. Особено го интересуват ефектите, възникващи при преминаването на електрически разряд между електроди, поставени в противоположните краища на стъклена тръба, от която е изпомпен почти всичкият въздух. Редица изследователи, сред които и английският физик Уйлям Крукс, обръщат внимание на едно любопитно явление, наблюдаващо се в подобни гозоразрядни тръби. Когато газът стане достатъчно разреден, стъклените стени на тръбата, намиращи се срещу катода (отрицателния електрод), започват да флуоресцират със зеленикава светлина, което по всяка вероятност става под въздействието на излъчването, възникващо на катода.
Катодните лъчи предизвикват в научните среди огромен интерес, а за природата им се изказват най-разнородни мнения. Повечето британски физици предполагат, че тези лъчи са поток заредени частици. Напротив, повечето немски учени са склонни да приемат, че те са смущения - може би колебания или токове - в някаква хипотетична безтегловна среда, в която, както те предполагат, се разпространява излъчването. От тази гледна точка катодните лъчи са нещо като високочестотна електромагнитна вълна, подобна на ултравиолетовата светлина. Немците се позовават на Хенрих Херц, за чието откритие се смята, че катодните лъчи, отклонявайки се под въздействието на магнитно поле, остават нечувствителни към силно електромагнитно поле. Това се приема за опровержение на мнението, че катодните лъчи са поток от заредени частици. Но дори и да е така, експерименталните доводи на немските учени остават не съвсем убедителни.
Изследването на катодните лъчи и свързаните с тях явления оживяват, когато през 1895 г. Вилхилм Ретнген открива рентгеновите лъчи. Между другото тази форма на излъчване, за която по-рано никой не подозирал, също възниква в газоразрядни тръби (но не на катода, а на анода). Скоро Томсън, работейки с Ърнест Ръдърфорд, открива, че облъчването на газовете с рентгенови лъчи увеличава силно тяхната електропроводимост. Рентгеновите лъчи йонизират газовете, превръщат атомите им в йони, които за разлика от атомите са заредени и следователно газовете стават добри проводници на електрически ток. Томсън доказва, че появяващата се в случая електропроводимост е подобна на йонната проводимост при електролизата в течни разтвори.
Като прави със своите студенти много плодотворни изследвания върху проводимостта в газовете, Томсън, зарадван от успехите, се заема специално с нерешения въпрос, който го занимава вече много години - състава на катодните лъчи. Подобно на останалите си английски колеги той е убеден в корпускуларната природа на катодните лъчи, предполагайки, че може би става въпрос за бързи йони или други наелектризирани частици, изстрелващи се от катода. Като повтаря опита на Херц, Томсън доказва, че в действителност електрическите полета отклоняват катодните лъчи (Отрицателният резултат на Херц се дължи на това, че в неговите газоразрядин тръби се намира прекалено много остатъчен газ.) По-късно Томсън отбелязва, че "отклонението на катодните лъчи от електрическите сили става съвсем различимо, а направлението му сочи, че съставящите катодните лъчи частици носят отрицателен заряд. Този резултат отстранява противоречието между въздействието на електрическите и магнитните сили върху катодните частици. Но той-има много по-голямо значение. Съществува метод, по който скоростта на частиците v може да бъде измерена, а също и e/m, където m е масата на частицата, а е - електрическия и заряд".
Методът, предложен от Томсън, е много прост. Отначало сноп катодни лъчи се отклонява с помощта на електрическо поле, а след това с помощта на магнитно поле се отклонява също толкова в противоположна посока, така че снопът отново се изправя. С използването на тази експериментална методика става възможно да се изведат прости уравнения, от които, при условие че са известни напреженията на двете полета, е лесно да се определи както v, така и e/m.
Намереното по такъв начин значение e/m за катодните "корпускули" (както ги нарича Томсън) се оказва 1000 пъти по-голямо от съответстващото значение за водородния йон (сега ние знаем, че истинското отношение е близо до 1800:1). Водородът сред всички елементи има най-голямо отношение на заряда към масата. Ако, както предполага Томсън, корпускулите имат същия заряд ("единичен" електрически заряд), това означава, че е открил нова същност, 1000 пъти по-лека от най-простия атом.
Тази загадка се потвърждава, когато Томсън с помощта на прибор, изобретен от Ч.Р.Т.Уилсън, успява да измери значението на е и да докаже, че то наистина е равно на съответното значение за йона на водорода. Той открива по-нататък, че за корпускулите от катодните лъчи отношението на заряда към масата не зависи от това какъв газ се намира в газоразрядната тръба и от какъв материал са направени електродите. Още повече, Томсън успява да отдели частици със същото отношение е/m от въглища при нагряване и от метали при въздействие върху тях на ултравиолетови лъчи. Оттук той прави извод, че "атомът не е последният предел на делимостта на материята; ние можем да вървим по-нататък - към корпускулата и тази корпускуларна фаза е еднаква, независимо от източника на нейното възникване… Тя по всяка вероятност влиза като съставна част във всичките разновидности на материята при най-различни условия, затова изглежда напълно естествено да се разглежда корпускулата като една от тухличките, от които е изграден атомът".
Томсън отива по-нататък и предлага модел на атома, съответстващ на неговото откритие. В началото на ХХ в. той изказва хипотезата, че атомът е размита сфера, носеща положителен електрически заряд, в която са разпределени отрицателно заредени електрони (както започват да наричат в края на краищата неговите корпускули). Този модел, макар и скоро заменен от ядрения модел на атома, предложен от Ръдърфорд, притежава черти, ценни за учените от това време и стимулиращи техните търсения.
Между 1906 и 1914 г. Томсън започва втория си и последен голям период на експериментална дейност. Той изучава каналните лъчи, които се движат към катода в разрядна тръба. Макар че Вилхелм Вин вече е доказал, че каналните лъчи са поток положително заредени частици, Томсън и колегите му хвърлят светлина върху тяхната характеристика, отделят различни типове атоми и атомни групи в тях. При опитите си Томсън демонстрира съвсем нов метод за разделяне на атомите, доказвайки, че някои атомни групи като СН, СН2 и СН3 могат да съществуват, макар че в обикновени условия съществуването им е нестабилно. Голямо значение има и това, че успява да открие, че пробите на инертния газ неон съдържат атоми с две различни атомни тегла. Откриването на тези изотопи изиграва важна роля за разбирането на природата на тежките радиоактивни елементи като урана.
По време на първата световна война Томсън работи в Управлението за изследвания и изобретения и е съветник на правителството. През 1918 г. оглавява Тринити колидж. Една години по-късно Ръдърфорд го сменя на поста професор по експериментална физика и директор на лабораторията Кавендиш.
След 1919 г. дейността на Томсън се състои предимно в изпълнение на длъжността ръководител на Тринити колидж, допълнителни изследвания в лабораторията Кавендиш и изгодно влагане на пари. Харесва му да работи в градината и често прави дълги разходки в търсене на необикновени растения.
Томсън се жени за Роуз Паджет през 1890 г.; съпрузите имат син и дъщеря. През 1937 г. синът му, Дж.Т.Томсън, получава Нобелова награда по физика. След смъртта си Томсън е погребан в Уестминстърското абатство в Лондон
Томсън оказва влияние върху физиката не само с резултатите от своите блестящи експериментални изследвания, но и като превъзходен преподавател и прекрасен ръководител на лабораторията Кавендиш. Привлечени от тези негови качества, стотици най-талантливи млади физици от целия свят избират да учат в Кеймбридж. Седем от тях, работили в Кавендиш под ръководството на Томсън, стават след време лауреати на Нобелова награда.
Освен на Нобелова награда Томсън е лауреат на много други награди, сред които може да се посочи Кралската (1894 г.), Хюгиз (1902 г.) и Копли (1914 г.), присъдени му от Лондонското кралско дружество, чийто президент е през 1915 г. През 1908 г. получава дворянска титла.
Превод
от руски: Павел Б. Николов
