約瑟夫·湯姆森

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Sir Joseph John Thomson
約瑟夫·湯姆森爵士
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出生 1856年12月18日
英國曼徹斯特
逝世 1940年8月30日
英國劍橋
居住地 Flag of the United Kingdom.svg英國
國籍 Flag of England.svg英格蘭
研究領域 物理學家
任職於 劍橋大學
普林斯頓大學
耶魯大學
母校 曼徹斯特維多利亞大學
劍橋大學
博士導師 約翰·斯特拉特Nobel prize medal.svg
愛德華·約翰·勞思
博士學生 查爾斯·威爾森Nobel prize medal.svg
歐內斯特·拉塞福Nobel prize medal.svg
約翰·西利·湯森
歐文·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 查爾斯·巴克拉Nobel prize medal.svg
弗朗西斯·阿斯頓Nobel prize medal.svg
羅伯特·歐本海默
馬克斯·玻恩Nobel prize medal.svg
保羅·朗之萬
傑弗里·泰勒
尼爾斯·波耳Nobel prize medal.svg
著名成就 葡萄乾布丁模型
電子
同位素
質譜
電磁導波
湯姆森散射
獲獎 Nobel prize medal.svg 諾貝爾物理學獎(1906年)
科普利獎章(1914年)
簽名
備註
其子Nobel prize medal.svg 喬治·湯姆森

約瑟夫·湯姆森爵士,OMFRS英語Sir Joseph John Thomson,1856年12月18日-1940年8月30日),英國物理學家電子的發現者。

湯姆森1856年出生於英格蘭曼徹斯特附近,蘇格蘭人家庭。他在曼徹斯特的歐文學院學習了工程學,搬到了劍橋大學三一學院。1884年他成為卡文迪許物理學教授,即卡文迪許實驗室主任。1890年他與露絲·佩杰特結婚,並養育了兩個孩子。他的學生之一是歐內斯特·拉塞福,拉塞福於1919年接替湯姆森就任卡文迪許物理學教授。

受到詹姆斯·克拉克·馬克士威工作的影響和X射線的發現,他推導出陰極射線(參見陰極射線管)存在於帶負電的粒子,他稱之為「微粒」,這種微粒現在認識為電子。電子曾經被約翰斯東·斯通尼提出過,作為電化學中電荷的單位,但是湯姆森認識到電子也是亞原子粒子,這一點是第一次被發現。1897年他的發現為人所知,並在科學圈內引起了轟動,並最終於1906年被授予諾貝爾物理學獎。 極富戲劇性的是,他的兒子喬治·湯姆森後來因證實電子是一種波而被授予諾貝爾物理學獎。(參見波粒二象性)。

成就[編輯]

發現電子[編輯]

幾個科學家,如[普朗特]和[洛克耶]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[約翰斯通 斯托尼]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。

同位素與質譜法[編輯]

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.威廉.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,隨後這個方法經由弗朗西斯.威廉.阿斯頓和阿瑟.傑弗瑞.登普斯特一同改善並且發展成一般普遍的方法。

其他[編輯]

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[編輯]

陰極射線磁偏轉的實驗[編輯]

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螢幕上的螢光路徑,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[編輯]

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佩蘭(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[編輯]

延伸閱讀[編輯]

  • 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

參考資料[編輯]

外部連接[編輯]