约瑟夫·汤姆孙

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约瑟夫·汤姆孙爵士,OM,FRS(英语:Sir Joseph John Thomson,1856年12月18日-1940年8月30日,简称J.J.Thomson),英国物理学家和诺贝尔物理学奖获得者, 他发现了并鉴定了电子,这是第一个被发现的亚原子粒子。

约瑟夫·汤姆孙

1897年,汤姆孙表明,阴极射线由以前未知的带负电粒子(现称为电子)组成,他计算出的粒子必须比原子小得多,并且质荷比非常大。 汤姆孙在1913年也发现了稳定(非放射性)元素同位素的第一个证据,这是他探索管道射线(正离子)成分的一部分。 他与弗朗西斯·阿斯顿(Francis William Aston)一起确定带正电粒子的性质的实验是质谱仪的第一次使用,并导致了质谱仪的开发。

汤姆孙因其在气体导电方面的工作而被授予1906年诺贝尔物理学奖。

教育和个人生活
汤姆孙1856年出生于英格兰的曼彻斯特附近,苏格兰人家庭。1870年,他在不寻常年轻的14岁就被录取在曼彻斯特的欧文学院(现在的曼彻斯特维多利亚大学)学习了工程学,搬到了剑桥大学三一学院。1884年12月22日,他被任命成为剑桥大学卡文迪许物理学教授,即卡文迪许实验室主任。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·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。

家庭
1890年,汤姆森娶了露丝·佩杰特(Rose Elisabeth Paget),他的前学生之一,她是乔治·爱德华·佩杰特爵士的女儿,而乔治·佩杰特是一位医生,然后在剑桥的小圣马利亚堂的物理学家Regius教授。 他们有一个儿子乔治·汤姆孙,和一个女儿(Joan Paget Thomson)。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。

成就

发现电子
几个科学家,如威廉·普朗特和诺曼·洛克耶曾经提出原子应该从基本的单元建立起,而他们假设这个原子最小的单位元为氢。在1897年,汤姆孙为第一个提出一个基本单位元小于原子的1000倍,此为亚原子粒子,现在则被称为电子。汤姆孙透过阴极射线而发现这样的性质。在1897年4月30日,汤姆孙发现并提出莱纳德光线在空气中行走的距离比原本预计的一个原子大小的粒子还要更远。他透过实验测量阴极射线碰撞热接面以及比较阴极射线发生磁偏转时所产生的热量并计算阴极射线的质量。他的实验提出,阴极射线比氢原子轻1000倍,而且它的质量取自于原子的类型,无论去自于哪里都一样。他的结论是,阴极射线非常轻且存在于带负电的粒子,而带负电的粒子是广布于原子中的建构粒子,他称此粒子为“微粒”,而微粒就是现在所认识的电子,但是在汤姆孙实现发现前早在1891年时,电子曾经被乔治·斯托尼提出过。

在1897年4月汤姆孙提出,阴极射线可以电偏转。一个月后汤姆孙宣布有关微粒的研究,他提出如果可以抽空放电管到非常低的电压,他发现他可以有效地透过电场偏转阴极射线。经由比较电场与磁场偏转后得到的质量更为完整,而测量结果的电荷比也证实了他先前的估计,这也成为了测定电子与质量著名的方法。

同位素与质谱法

在这个感光板的右下角是标记有氖的两种同位素: 氖-20和氖-22。

在1912年,汤姆孙深入研究阴极射线的组成部分,汤姆孙和他的研究助理弗朗西斯·阿斯顿透过电场和磁场引导氖离子流,并且透过感光板测量在其路径中的偏转程度。他们观察在照相底片上两个贴片上的光,这说明了光的偏转产生了两条不同的抛物线,并且得到的结论是氖离子流是由两个不同的原子质量(分别是氖-20和氖-22)所组成的,也就是说此两种不同的原子为同位素。弗雷德里克·索迪以前提出过利用同位素的存在可以解释某些放射性物质的衰变,而这也是发现同位素为一个稳定的元素的第一个证据。

约瑟夫.汤姆孙透过质量分离氖离子流而发现氖同位素为质谱法应用的第一个实例,随后这个方法经由阿斯顿和登普斯特一同改善并且发展成一般普遍的方法。

其他
1905年,汤姆孙发现了钾的天然放射性。

在1906年,汤姆孙证明了每一个氢原子只有一个电子。以前的理论中允许氢原子有不同数量的电子。

阴极射线实验

磁偏转
汤姆孙首先研究有关阴极射线的电磁偏转。阴极射线是产生于装置左边的侧管,并且借由磁铁的偏转使阴极射线由阳极传递装置的主锺罩。汤姆孙透过检测装置中方形屏幕上的萤光路径,他发现无论是在阳极或是在装置内的气体材料,光线的偏转都会是相同的,而这也说明了阴极射线无论它的来源为何它都是相同的形式。

实验证明阴极射线是带电的
阴极射线是否带电在早期造成了两大学派的争论,分别是认为阴极射线是电磁波的乙太说以及认为阴极射线是由带负电的微粒组成的带电微粒说。两大学派经由实验证明各自学派的主张,而最后由法国物理学家让·佩兰(Jean Baptiste Perrin)与汤姆孙证实了阴极射线是带有电荷的。

实验主要是由汤姆孙改良佩兰教授的实验,他将联接到静电计的电荷接收器安置在真空管的一侧,接着利用磁场使射线偏转,磁场增加至一定程度的时候,接收器接收到的电荷会突然遽增,这说明了这些电荷的产生来自于阴极射线,也因此驳回了以太说的主张,证实了阴极射线带有电荷。

电偏转
1897年5月至6月,汤姆孙研究了光线是否可以被电场偏转。 以前的实验者没有观察到这一点,但汤姆孙认为他们的实验是有缺陷的,因为他们的管子含有太多的气体。

高中物理知识点总结

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