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汤姆森·约瑟夫·约翰。科学家传记
英国物理学家约瑟夫·汤姆森作为发现电子的人而载入科学史册。他曾说过：“发现源于敏锐的观察力、直觉和不可动摇的热情，直到最终解决伴随先驱工作的所有矛盾。” 约瑟夫·约翰·汤姆森 (Joseph John Thomson) 18 年 1856 月 1876 日出生于曼彻斯特。在曼彻斯特，他毕业于欧文斯学院，并于1880年至1880年间就读于剑桥大学著名的圣三一学院（Trinity College）。 XNUMX 年 XNUMX 月，汤姆森成功通过了期末考试，开始在卡文迪什实验室工作。 他的第一篇文章发表于 1880 年，专门讨论光的电磁理论。第二年出现了两篇论文，其中一篇奠定了质量电磁理论的基础。这篇文章的名字是“关于带电体运动产生的电磁效应”。这篇文章表达了“带电体外部的以太是所有质量、动量和能量的载体”的观点。随着速度的增加，场的性质发生变化，因此所有“场”质量都会增加，始终与能量成正比。 汤姆森痴迷于最好意义上的实验物理学。他不知疲倦地工作，习惯于靠自己实现自己的目标，以至于邪恶的舌头说他完全无视权威。他们保证，他更愿意独立思考任何他不熟悉的科学性质的问题，而不是求助于书籍和现成的理论。然而，这显然是夸张了…… 汤姆森的科学成就得到了卡文迪什实验室主任瑞利的高度赞赏。 1884年辞去董事职务时，他毫不犹豫地推荐汤姆逊作为继任者。对于约瑟夫本人来说，他的任命是一个意外。 据了解，一位曾在卡文迪什实验室接受培训的美国物理学家得知这一任命后，立即收拾行李。 “在一个只比你大两岁的教授手下工作是没有意义的……”他在启航回国时说道。好吧，他还有很多时间来后悔自己的匆忙。 实验室老主任这样的选择是有充分理由的。每个熟悉汤姆森的人都一致注意到他始终如一的仁慈、愉快的沟通方式以及正直的品格。后来，学生们回忆说，他们的领导喜欢重复麦克斯韦的话，即永远不应该劝阻一个人进行他计划的实验。即使他没有找到他想要的东西，他也可能会发现其他东西，并从中获得比一千次讨论更多的东西。 这就是这些不同品质在这个人身上共存的方式，例如独立于自己的判断以及对学生、员工或同事意见的深深尊重。也许正是这些品质确保了他作为卡文迪什负责人的成功。 汤姆森带着出版的作品、对物质世界统一性的信念以及对未来的许多计划来到了新的岗位。他的第一次成功为卡文迪什实验室的权威做出了贡献。很快，一群年轻人聚集在这里，他们来自各个国家。他们所有人都同样热情，愿意为了科学而做出任何牺牲。一所学校成立了，这是一个真正的科学团队，由共同的目标和方法团结在一起，以世界权威为首。 从 1884 年到 1919 年，汤姆森由卢瑟福接任实验室主任，负责卡文迪什实验室。在此期间，它变成了世界物理学的主要中心，一所国际物理学家学校。卢瑟福、玻尔、朗之万和许多其他人，包括俄罗斯科学家，都在这里开始了他们的科学生涯。 汤姆森在生命的最后完成了他的回忆录，在他以前的博士生中，列出了 27 名英国皇家学会会员、80 名在 XNUMX 个国家成功工作的教授。结果确实非常出色。 汤姆森的研究计划很广泛：电流通过气体的问题、金属的电子理论、对各种射线性质的研究…… 汤姆逊开始研究阴极射线后，首先决定检查他的前辈通过电场实现射线偏转的实验是否进行得足够仔细。他构思了一次重复实验，为其设计了专用设备，监控命令执行的彻底性，预期的结果是显而易见的。在汤姆逊设计的管子中，阴极射线顺从地被带正电的极板吸引，并明显地被带负电的极板排斥，也就是说，它们的行为就像是一股快速飞行的带负电的微小粒子流。非常好的结果！他当然可以结束有关阴极射线本质的所有争议，但汤姆森并不认为他的研究已经完成。在定性地确定了射线的性质后，他想对构成射线的微粒给出准确的定量定义。 受到第一次成功的启发，他设计了一种新管：阴极、环形加速电极和可以施加偏转电压的板。在阴极对面的墙上，他涂上了一层薄薄的物质，这种物质能够在传入粒子的撞击下发光。结果就是阴极射线管的祖先，在电视和雷达时代我们对此非常熟悉。 汤姆森实验的目标是用电场偏转粒子束，并用磁场补偿这种偏转。他通过实验得出的结论是惊人的。首先，事实证明粒子在管中以接近光速的极高速度飞行。其次，微粒每单位质量的电荷非常大。它们是什么样的粒子：带有巨大电荷的未知原子，还是质量微不足道但电荷较小的微小粒子？ 他进一步发现，比电荷与单位质量的比率是一个恒定值，与粒子的速度、阴极材料以及发生放电的气体的性质无关。这种独立性令人震惊。微粒似乎是某种普遍的物质粒子，原子的组成部分...... 想到这一点，上个世纪的研究者应该会感到不安。毕竟，“原子”这个词本身就意味着“不可分割”。自德谟克利特时代以来的数千年里，原子一直是可分性极限的象征，是物质离散性的象征。然后突然……突然发现他们也有组件？ 同意这里有很多让人感到困惑的地方。确实，对亵渎的恐惧在很大程度上与对这一伟大发现的期待的喜悦交织在一起…… 汤姆森开始计算。首先，必须确定神秘微粒的参数，然后，或许才能确定它们到底是什么。 科学家细腻的笔迹在纸上写满了无数的数字。这就是第一个计算结果：毫无疑问，未知粒子只不过是最小的电荷、不可分割的电原子或电子。它们在理论上是已知的，甚至还得到了一个名字，但只有他设法发现并最终通过实验证实了它们的存在。 他做到了——顽固的英国实验物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森教授，他的学生和同事在背后简单地称他为吉吉。 29 年 1897 月 XNUMX 日，在伦敦皇家学会召开两百多年会议的房间里，安排了他的报告。大多数在场人士都非常熟悉该问题的历史。许多人自己试图解决阴极射线的本质问题。演讲者的名字预示着一个有趣的信息。 这是汤姆森站在讲台上。他又高又瘦，戴着金丝框眼镜。他说话自信而响亮。演示者的助手立即在在场人员面前准备演示实验。确实，戴眼镜的高个子先生所说的一切都发生了。管内的阴极射线乖乖偏转，被磁场和电场吸引。此外，如果我们假设它们由微小的带负电粒子组成，它们就会像应有的那样被偏转和吸引...... 听众们都很高兴。他们多次用掌声打断报告。最后的结局超出了所有人的预期。这座古老的殿堂恐怕从未见过如此盛大的胜利。皇家学会的尊贵会员们从座位上跳了起来，急忙跑到演示台前，拥挤不堪，挥舞着手臂，大喊大叫…… 在场的人的喜悦根本不是因为同事 J. J. Thomson 如此令人信服地揭示了阴极射线的真实本质。情况要严重得多。原子，物质的主要组成部分，不再是基本的圆形颗粒，不可穿透且不可分割的没有任何内部结构的粒子……如果带负电的微粒可以从它们中飞出，那么原子一定是某种复杂的系统，由带正电的东西和带负电的微粒 - 电子。 “电子”一词曾由斯托尼提出，用来表示最小电荷的大小，后来成为不可分割的“电原子”的名称。 现在，未来搜索最必要的方向已经变得清晰可见。首先，当然，有必要准确确定一个电子的电荷和质量，这使得可以澄清所有元素的原子质量，计算分子质量，为反应的正确组成提供建议……但是我能说的是，了解电子电荷的精确值就像空气一样必要，因此，许多物理学家立即根据其定义进行了实验。 1904 年，汤姆森公布了他的新原子模型。它也是一个均匀带正电的球体，带负电的微粒在其中旋转，其数量和位置取决于原子的性质。科学家无法解决球体内微粒稳定排列的一般问题，他解决了微粒位于穿过球体中心的同一平面上的特殊情况。在每个环中，小体都进行相当复杂的运动，该假设的作者将其与光谱联系起来。壳环中微粒的分布与元素周期表的垂直列相对应。 他们说，有一次记者要求吉吉清楚地解释他假设的“他的原子”的结构是什么。 “哦，很简单，”教授平静地回答，“很可能就是葡萄干布丁之类的东西……” 这就是汤姆森的原子进入科学史的方式——一种带正电的“布丁”，里面塞满了带负电的“葡萄干”——电子。 汤姆森本人很清楚“葡萄干布丁”结构的复杂性。这位科学家非常接近这样的结论：原子中电子分布的性质决定了它在元素周期表中的位置，但他也只是接近了这一结论。最终结论尚未出来。他提出的模型中有很多内容仍然难以解释。例如，没有人了解原子的带正电质量是多少，以及各种元素的原子中应包含多少电子。 汤姆森教导物理学家如何控制电子，这是他的主要优点。汤姆森方法的发展形成了电子光学、电子管和现代带电粒子加速器的基础。 1906年，汤姆森因其对气体中电流传输的研究而获得诺贝尔物理学奖。 汤姆森还开发了研究带正电粒子的方法。他于 1913 年出版的专着《正电射线》为质谱学奠定了基础。他的学生阿斯顿发展了汤姆森的技术，建造了第一台质谱仪并开发了一种分析和分离同位素的方法。汤姆森的实验室通过观察电场中带电云的运动开始了对基本电荷的首次测量。密立根进一步完善了这种方法，并导致了他现在对电子电荷的经典测量。 著名的威尔逊室由汤姆森的学生兼合作者威尔逊于 1911 年建造，也是在卡文迪什实验室开始其生命。 由此可见，汤姆逊和他的学生对原子核物理学的形成和发展的作用是非常巨大的。但汤姆森直到生命的尽头仍然是以太的支持者，开发了以太运动模型，在他看来，其结果就是观察到的现象。因此，他将磁场中阴极束的偏转解释为陀螺仪的进动，赋予电场和磁场的组合以旋转力矩。 汤姆森于 30 年 1940 月 XNUMX 日去世，当时英国正处于困难时期，纳粹入侵的威胁笼罩着英国。 作者：萨明 D.K.
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