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约瑟夫·汤姆孙

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提示:本条目的主题不是第一代开尔文男爵威廉·汤姆森
Sir Joseph John Thomson
約瑟夫·汤姆孙爵士
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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 Flag of the United Kingdom.svg英国
国籍 Flag of England.svg英格兰
研究領域 物理学家
任职於 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
博士導師 约翰·斯特拉特Nobel prize medal.svg
爱德华·劳思英语Edward Routh
博士學生 查尔斯·威耳逊Nobel prize medal.svg
欧内斯特·卢瑟福Nobel prize medal.svg
约翰·西利·汤森德英语John Sealy Townsend
欧文·理查森Nobel prize medal.svg
威廉·亨利·布拉格Nobel prize medal.svg
愛德華·阿普爾頓Nobel prize medal.svg
其他著名學生 查尔斯·巴克拉Nobel prize medal.svg
弗朗西斯·阿斯顿Nobel prize medal.svg
罗伯特·奥本海默
马克斯·玻恩Nobel prize medal.svg
保罗·朗之万
杰弗里·泰勒
尼尔斯·玻尔Nobel prize medal.svg
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
獲獎 Nobel prize medal.svg 诺贝尔物理学奖(1906年)
科普利奖章(1914年)
签名
備註
其子Nobel prize medal.svg 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·克拉克·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[编辑]

发现电子[编辑]

幾個科學家,如威廉·普朗特英语William Prout諾曼·洛克耶英语Norman Lockye曾經提出原子應該從基本的單元建立起,而他們假設這個原子最小的單位元為氫。在1897年,湯姆森為第一個提出一個基本單位元小於原子的1000倍,此為亞原子粒子,現在則被稱為電子。湯姆森透過陰極射線而發現這樣的性質。在1897年4月30日,湯姆森發現並提出萊納德光線在空氣中行走的距離比原本預計的一個原子大小的粒子還要更遠。他透過實驗測量陰極射線碰撞熱接面以及比較陰極射線發生磁偏轉時所產生的熱量並計算陰極射線的質量。他的實驗提出,陰極射線比氫原子輕1000倍,而且它的質量取自於原子的類型,無論去自於哪裡都一樣。他的結論是,陰極射線非常輕且存在於帶負電的粒子,而帶負電的粒子是廣布於原子中的建構粒子,他稱此粒子為「微粒」,而微粒就是現在所認識的電子,但是在湯姆森實現發現前早在1891年時,電子曾經被喬治·斯托尼英语George Johnstone Stoney提出過。

在1897年4月湯姆森提出,陰極射線可以電偏轉。一個月後湯姆森宣布有關微粒的研究,他提出如果可以抽空放電管到非常低的電壓,他發現他可以有效地透過電場偏轉陰極射線。經由比較電場磁場偏轉後得到的質量更為完整,而測量結果的電荷比也證實了他先前的估計,這也成為了測定電子與質量著名的方法。

同位素与质谱法[编辑]

在1912年,湯姆森深入研究陰極射線的組成部分,湯姆森和他的研究助理弗朗西斯·阿斯頓透過電場和磁場引導氖離子流,並且透過感光板測量在其路徑中的偏轉程度。他們觀察在照相底片上兩個貼片上的光,這說明了光的偏轉產生了兩條不同的拋物線,並且得到的結論是氖離子流是由兩個不同的原子質量(分別是氖-20和氖-22)所組成的,也就是說此兩種不同的原子為同位素。弗雷德里克·索迪以前提出過利用同位素的存在可以解釋某些放射性物質的衰變,而這也是發現同位素為一個穩定的元素的第一個證據。

約瑟夫.湯姆森透過質量分離氖離子流而發現氖同位素為第一個實例,隨後這個方法經由阿斯頓和登普斯特英语Arthur Jeffrey Dempster一同改善並且發展成一般普遍的方法。

其他[编辑]

1905年,湯姆森發現了鉀的天然放射性同位素。

以前的理論中允許氫原子有不同數量的電子,在1906年,湯姆森證明了每一個氫原子只有一個電子。

陰極射線實驗[编辑]

陰極射線磁偏轉的實驗[编辑]

湯姆森首先研究有關陰極射線的電磁偏轉。陰極射線是產生於裝置左邊的側管,並且藉由磁鐵的偏轉使陰極射線由陽極傳遞裝置的主鍾罩。湯姆森透過檢測裝置中方形屏幕上的螢光路徑,他發現無論是在陽極或是在裝置內的氣體材料,光線的偏轉都會是相同的,而這也說明了陰極射線無論它的來源為何它都是相同的形式。

實驗證明陰極射線是帶電的[编辑]

陰極射線是否帶電在早期造成了兩大學派的爭論,分別是認為陰極射線是電磁波的乙太說以及認為陰極射線是由帶負電的微粒組成的帶電微粒說。兩大學派經由實驗證明各自學派的主張,而最後由法國物理學家让·佩兰(Jean Baptiste Perrin)與湯姆森證實了陰極射線是帶有電荷的。

實驗主要是由湯姆森改良佩蘭教授的實驗,他將聯接到靜電計的電荷接收器安置在真空管的一側,接著利用磁場使射線偏轉,磁場增加至一定程度的時候,接收器接收到的電荷會突然遽增,這說明了這些電荷的產生來自於陰極射線,也因此駁回了以太說的主張,證實了陰極射線帶有電荷。

實驗證明陰極射線可電偏轉[编辑]

延伸阅读[编辑]

  • 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

参考资料[编辑]

外部连接[编辑]