JJ Thomson

La educación inicial de Thomson tuvo lugar en pequeñas escuelas privadas donde demostró un talento e interés excepcionales por la ciencia. En 1870, ingresó en el Owens College de Manchester (actualmente la Universidad de Manchester ) a la inusualmente temprana edad de 14 años, y quedó bajo la influencia de Balfour Stewart , profesor de física, quien lo inició en la investigación física. ^{[ 13 ]} Comenzó a experimentar con la electrificación por contacto y pronto publicó su primer artículo científico. ^{[ 14 ]} Sus padres planeaban inscribirlo como aprendiz de ingeniero en Sharp, Stewart & Co. , un fabricante de locomotoras, pero estos planes se vieron truncados cuando su padre falleció en 1873. ^{[ 9 ]}

En 1876, Thomson ingresó en el Trinity College de Cambridge . En 1880, obtuvo su licenciatura en matemáticas ( Segundo Wrangler en el Tripos ^{[ 15 ]} y Segundo Premio Smith ). ^{[ 16 ]} Solicitó y fue admitido como miembro del Trinity College al año siguiente. ^{[ 17 ]} Obtuvo una maestría ( Premio Adams ) en 1883. ^{[ 16 ]}

El 22 de diciembre de 1884, Thomson fue nombrado Profesor Cavendish de Física en la Universidad de Cambridge . ^{[ 5 ]} Este nombramiento causó gran sorpresa; candidatos como Osborne Reynolds y Richard Glazebrook eran mayores y tenían más experiencia en trabajo de laboratorio, mientras que Thomson era conocido por su trabajo como matemático, siendo reconocido como un talento excepcional. ^{[ 18 ]}

Thomson fue nombrado caballero en 1908 y condecorado con la Orden del Mérito en 1912. En Oxford , impartió la Conferencia Romanes de 1914 titulada «La teoría atómica» . En 1918, se convirtió en director del Trinity College de Cambridge , cargo que ocupó hasta su fallecimiento el 30 de agosto de 1940. Sus cenizas reposan en la Abadía de Westminster , ^{[ 19 ]} cerca de las tumbas de Isaac Newton y su antiguo alumno, Ernest Rutherford . ^{[ 20 ]}

Rutherford le sucedió como profesor Cavendish. Seis de los asistentes de investigación y colegas jóvenes de Thomson ( Charles Glover Barkla , ^{[ 21 ]} Niels Bohr , ^{[ 22 ]} Max Born , ^{[ 23 ]} William Henry Bragg , Owen Willans Richardson ^{[ 24 ]} y Charles Thomson Rees Wilson ^{[ 25 ]} ) ganaron el Premio Nobel de Física , y dos ( Francis William Aston ^{[ 26 ]} y Ernest Rutherford ^{[ 27 ]} ) ganaron el Premio Nobel de Química . El hijo de Thomson, George Paget Thomson , ganó el Premio Nobel de Física de 1937 por demostrar las propiedades ondulatorias de los electrones. ^{[ 28 ]}

La obra de maestría de Thomson, premiada con un premio, titulada Tratado sobre el movimiento de los anillos de vórtice , muestra su interés temprano en la estructura atómica. ^{[ 29 ]} En ella, Thomson describió matemáticamente los movimientos de la teoría de vórtices del átomo de Lord Kelvin . ^{[ 18 ]}

Thomson publicó varios artículos que abordaban cuestiones tanto matemáticas como experimentales del electromagnetismo . Examinó la teoría electromagnética de la luz de James Clerk Maxwell , introdujo el concepto de masa electromagnética de una partícula cargada y demostró que un cuerpo cargado en movimiento aparentemente aumentaría de masa. ^{[ 18 ]}

Gran parte de su trabajo en el modelado matemático de procesos químicos puede considerarse como química computacional temprana . ^{[ 5 ]} En un trabajo posterior, publicado en forma de libro como Aplicaciones de la dinámica a la física y la química (1888), Thomson abordó la transformación de la energía en términos matemáticos y teóricos, sugiriendo que toda la energía podría ser cinética. ^{[ 18 ]} Su siguiente libro, Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo (1893), se basó en el Tratado sobre electricidad y magnetismo de Maxwell , y a veces se le conocía como "el tercer volumen de Maxwell". ^{[ 29 ]} En él, Thomson enfatizó los métodos físicos y la experimentación e incluyó extensas figuras y diagramas de aparatos, incluyendo varios para el paso de electricidad a través de gases. ^{[ 18 ]} Su tercer libro, Elementos de la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo (1895) ^{[ 30 ]} fue una introducción accesible a una amplia variedad de temas y alcanzó una considerable popularidad como libro de texto. ^{[ 18 ]}

Una serie de cuatro conferencias, impartidas por Thomson durante una visita a la Universidad de Princeton en 1896, fueron publicadas posteriormente con el título de Descarga de electricidad a través de gases (1897). También impartió una serie de seis conferencias en la Universidad de Yale en 1904. ^{[ 29 ]}

Varios científicos, como William Prout y Norman Lockyer , habían sugerido que los átomos se construían a partir de una unidad más fundamental, pero imaginaban que esta unidad tendría el tamaño del átomo más pequeño, el hidrógeno. Thomson, en 1897, fue el primero en sugerir que una de las unidades fundamentales del átomo era más de 1000 veces más pequeña que un átomo, sugiriendo la partícula subatómica ahora conocida como electrón. Thomson descubrió esto a través de sus exploraciones sobre las propiedades de los rayos catódicos . Thomson hizo su sugerencia el 30 de abril de 1897 tras descubrir que los rayos catódicos (en ese momento conocidos como rayos Lenard ) podían viajar mucho más lejos a través del aire de lo esperado para una partícula del tamaño de un átomo. ^{[ 31 ]} Estimó la masa de los rayos catódicos midiendo el calor generado cuando los rayos chocaban con una unión térmica y comparándolo con la desviación magnética de los rayos. Sus experimentos sugirieron no solo que los rayos catódicos eran más de 1000 veces más ligeros que el átomo de hidrógeno, sino también que su masa era la misma independientemente del tipo de átomo del que procedieran. Concluyó que los rayos estaban compuestos de partículas muy ligeras con carga negativa, que constituían un bloque de construcción universal de los átomos. Llamó a estas partículas «corpúsculos», pero posteriormente los científicos prefirieron el nombre de electrón , sugerido por George Johnstone Stoney en 1891, antes del descubrimiento de Thomson. ^{[ 32 ]}

En abril de 1897, Thomson solo tenía indicios tempranos de que los rayos catódicos podían desviarse eléctricamente (investigadores anteriores como Heinrich Hertz habían pensado que no era posible). Un mes después del anuncio de Thomson sobre el corpúsculo, descubrió que podía desviar los rayos de manera confiable mediante un campo eléctrico si evacuaba el tubo de descarga a una presión muy baja. Al comparar la desviación de un haz de rayos catódicos por campos eléctricos y magnéticos, obtuvo mediciones más robustas de la relación masa-carga que confirmaron sus estimaciones previas. ^{[ 33 ]} Este se convirtió en el método clásico para medir la relación carga-masa del electrón. Más tarde, en 1899, midió que la carga del electrón era de6,8 × 10 ⁻¹⁰  ues . ^{[ 34 ]}

Thomson creía que los corpúsculos surgían de los átomos del gas traza dentro de sus tubos de rayos catódicos . Por lo tanto, concluyó que los átomos eran divisibles y que los corpúsculos eran sus bloques de construcción. En 1904, Thomson propuso un modelo del átomo, planteando la hipótesis de que era una esfera de materia positiva dentro de la cual las fuerzas electrostáticas determinaban la posición de los corpúsculos. ^{[ 5 ]} Para explicar la carga neutra general del átomo, propuso que los corpúsculos estaban distribuidos en un mar uniforme de carga positiva. En este " modelo del pudín de pasas ", los electrones se veían incrustados en la carga positiva como pasas en un pudín de pasas (aunque en el modelo de Thomson no eran estacionarios, sino que orbitaban rápidamente). ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Thomson realizó el descubrimiento casi al mismo tiempo que Walter Kaufmann y Emil Wiechert descubrieron la relación correcta entre masa y carga de estos rayos catódicos (electrones). ^{[ 37 ]}

El nombre electrón fue adoptado para estas partículas por la comunidad científica, principalmente debido a la defensa de George Francis FitzGerald , Joseph Larmor y Hendrik Lorentz . ^{[ 38 ] : 273} El término fue acuñado originalmente por George Johnstone Stoney en 1891 como un nombre tentativo para la unidad básica de carga eléctrica (que entonces aún no había sido descubierta). ^{[ 39 ] [ 40 ]} Durante algunos años Thomson se resistió a usar la palabra "electrón" porque no le gustaba cómo algunos físicos hablaban de un "electrón positivo" que se suponía que era la unidad elemental de carga positiva, así como el "electrón negativo" es la unidad elemental de carga negativa. Thomson prefirió seguir con la palabra "corpúsculo", que definió estrictamente como cargado negativamente. ^{[ 41 ]} Cedió en 1914, usando la palabra "electrón" en su libro La teoría atómica . ^{[ 42 ]} En 1920, Rutherford y sus colegas acordaron llamar al núcleo del ion hidrógeno "protón", estableciendo un nombre distinto para la partícula de materia con carga positiva más pequeña conocida (que puede existir independientemente). ^{[ 43 ]}

En 1912, como parte de su exploración de la composición de los flujos de partículas cargadas positivamente entonces conocidos como rayos canal , Thomson y su asistente de investigación, FW Aston , canalizaron un flujo de iones de neón a través de un campo magnético y uno eléctrico y midieron su desviación colocando una placa fotográfica en su trayectoria. ^{[ 9 ]} Observaron dos manchas de luz en la placa fotográfica (ver imagen a la derecha), lo que sugería dos parábolas de desviación diferentes, y concluyeron que el neón está compuesto de átomos de dos masas atómicas diferentes (neón-20 y neón-22), es decir, de dos isótopos . ^{[ 44 ] [ 45 ]} Esta fue la primera evidencia de isótopos de un elemento estable; Frederick Soddy había propuesto previamente la existencia de isótopos para explicar la desintegración de ciertos elementos radiactivos .

La separación de isótopos de neón por su masa realizada por Thomson fue el primer ejemplo de espectrometría de masas , que posteriormente fue mejorada y desarrollada en un método general por FW Aston y por AJ Dempster . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

Anteriormente, los físicos debatían si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz ("algún proceso en el éter ") o si eran "de hecho totalmente materiales y... marcan las trayectorias de partículas de materia cargadas con electricidad negativa", citando a Thomson. ^{[ 33 ]} La hipótesis etérea era vaga, ^{[ 33 ]} pero la hipótesis de partículas era lo suficientemente definida como para que Thomson la pusiera a prueba.

carga eléctrica

Si bien los partidarios de la teoría etérea aceptaban la posibilidad de que se produjeran partículas con carga negativa en los tubos de Crookes , creían que eran un mero subproducto y que los rayos catódicos en sí mismos eran inmateriales. Thomson se propuso investigar si realmente podía separar la carga de los rayos.

Thomson construyó un tubo de Crookes con un electrómetro colocado a un lado, fuera de la trayectoria directa de los rayos catódicos. Thomson podía seguir la trayectoria del rayo observando la mancha fosforescente que creaba al incidir sobre la superficie del tubo. Observó que el electrómetro registraba una carga solo cuando desviaba el rayo catódico hacia él con un imán. Concluyó que la carga negativa y los rayos eran una misma cosa. ^{[ 31 ]}

deflexión eléctrica

Ilustración de Thomson del tubo de Crookes, mediante el cual observó la desviación de los rayos catódicos por un campo eléctrico (y posteriormente midió su relación masa-carga). Los rayos catódicos se emitían desde el cátodo C, pasaban a través de las rendijas A (el ánodo) y B ( conectada a tierra ), luego a través del campo eléctrico generado entre las placas D y E, impactando finalmente la superficie en el extremo opuesto.

El rayo catódico (línea azul) fue desviado por el campo eléctrico (amarillo).

En mayo-junio de 1897, Thomson investigó si los rayos podían ser desviados por un campo eléctrico. ^{[ 9 ]} Experimentadores anteriores no habían observado esto, pero Thomson creía que sus experimentos eran defectuosos porque sus tubos contenían demasiado gas.

Thomson construyó un tubo de Crookes con un vacío mejorado. Al inicio del tubo se encontraba el cátodo, desde donde se proyectaban los rayos. Estos rayos se concentraban en un haz mediante dos rendijas metálicas: la primera actuaba como ánodo y la segunda estaba conectada a tierra. El haz pasaba entonces entre dos placas paralelas de aluminio, que generaban un campo eléctrico entre ellas al conectarse a una batería. El extremo del tubo era una gran esfera donde el haz incidía sobre el vidrio, creando una mancha luminosa. Thomson pegó una escala a la superficie de esta esfera para medir la desviación del haz. Cualquier haz de electrones colisionaba con algunos átomos de gas residual dentro del tubo de Crookes, ionizándolos y produciendo electrones e iones en el tubo ( carga espacial ); en experimentos anteriores, esta carga espacial apantallaba eléctricamente el campo eléctrico externo aplicado. Sin embargo, en el tubo de Crookes de Thomson, la densidad de átomos residuales era tan baja que la carga espacial de los electrones e iones era insuficiente para apantallar eléctricamente el campo eléctrico aplicado externamente, lo que permitió a Thomson observar con éxito la deflexión eléctrica.

Cuando la placa superior se conectaba al polo negativo de la batería y la placa inferior al polo positivo, la zona luminosa se movía hacia abajo, y cuando se invertía la polaridad, la zona se movía hacia arriba.

Medición de la relación masa-carga

En su experimento clásico, Thomson midió la relación masa-carga de los rayos catódicos midiendo cuánto se desviaban por un campo magnético y comparándolo con la desviación eléctrica. Utilizó el mismo aparato que en su experimento anterior, pero colocó el tubo de descarga entre los polos de un gran electroimán. Descubrió que la relación masa-carga era más de mil veces menor que la de un ion de hidrógeno (H ⁺ ), lo que sugería que las partículas eran muy ligeras y/o estaban muy cargadas. ^{[ 33 ]} Es significativo que los rayos de cada cátodo produjeran la misma relación masa-carga. Esto contrasta con los rayos anódicos (ahora se sabe que provienen de iones positivos emitidos por el ánodo), donde la relación masa-carga varía de un ánodo a otro. El propio Thomson se mantuvo crítico con los resultados de su trabajo, refiriéndose en su discurso de aceptación del Premio Nobel a "corpúsculos" en lugar de "electrones".

Los cálculos de Thomson se pueden resumir de la siguiente manera (en su notación original, usando F en lugar de E para el campo eléctrico y H en lugar de B para el campo magnético):

La desviación eléctrica viene dada por${\displaystyle \Theta =Fel/mv^{2}}$donde Θ es la deflexión eléctrica angular, F es la intensidad eléctrica aplicada, e es la carga de las partículas de rayos catódicos, l es la longitud de las placas eléctricas, m es la masa de las partículas de rayos catódicos y v es la velocidad de las partículas de rayos catódicos. La deflexión magnética viene dada por${\displaystyle \phi =Hel/mv}$donde φ es la desviación magnética angular y H es la intensidad del campo magnético aplicado.

El campo magnético se varió hasta que las deflexiones magnéticas y eléctricas fueron iguales, cuando ${\displaystyle \Theta =\phi ,Fel/mv^{2}=Hel/mv}$Esto se puede simplificar para dar${\displaystyle m/e=H^{2}l/F\Theta }$. La deflexión eléctrica se midió por separado para obtener Θ y H, F y l eran conocidos, por lo que se pudo calcular m/e.

En 1905, Thomson descubrió la radiactividad natural del potasio . ^{[ 48 ]}

En 1906, Thomson demostró que el hidrógeno tenía un solo electrón por átomo. Las teorías anteriores permitían diferentes números de electrones. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

Entre 1916 y 1918, Thomson presidió el «Comité designado por el Primer Ministro para investigar la situación de las ciencias naturales en el sistema educativo de Gran Bretaña». El informe del Comité, publicado en 1918, se conoció como el Informe Thomson. ^{[ 51 ]}