ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН (1856 г. – 1940 г.)

ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН

(1856 г. – 1940 г.)

Знаменитый английский физик Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в Читэм-Хилл, пригороде Манчестера (Англия) в семье Джозефа Джеймса Томсона и Эммы Томсон, урожденной Свинделлс. Его отец был известным книготорговцем и издателем.

Летние каникулы Джозеф Джон вместе со своим братом Фредериком Верноном, который был младше его на два года, проводили вместе с матерью.

В 1870 году, когда Джозефу Джону исполнилось 14 лет, отец отправил мальчика учиться в Оуэнс-колледж (позже – Манчестерский университет), где тот должен был получить специальность инженера. Спустя два года отец умер, но благодаря стипендии и финансовой поддержке матери молодой Томсон продолжил обучение в Оуэнс-колледже.

Преподаватели колледжа, Осборн Рейнольдс и Бальфур Стюарт, привили способному ученику интерес к физике. В отличие от многих других колледжей Великобритании, в Оуэнс-колледже читали курс экспериментальной физики, который очень нравился Томсону.

В возрасте 16 лет Джозеф Джон получил приз по математике, а в следующем году был награжден призом по технике.

Окончив в 1876 году Оуэнс-колледж и получив звание инженера, Томсон поступил по рекомендации своих преподавателей в Тринити-колледж Кембриджского университета, один из наиболее престижных колледжей страны. Здесь он изучал математику и ее приложения в области теоретической физики. Через некоторое время Томсон стал стипендиатом Кембриджского университета, а позже ему была назначена именная стипендия.

В 1880 году по результатам кембриджского экзамена по математике Томсон стал вторым ранглером (первым был знаменитый Джозеф Лармор). За блестящие результаты в учебе Джозеф Джон был удостоен премии Смита. В том же году молодой ученый получил степень бакалавра по математике и вошел в ученый совет Тринити-колледжа. С этого времени и до конца жизни Томсон был душой и движущей силой колледжа. В течение двух лет он работал в нем по 18 часов в неделю. В 1883 году Джозеф Джон стал лектором, а позже (в 1918 году) и мастером (главой) колледжа.

В 1871 году в Кембриджском университете была открыта первая физическая исследовательская лаборатория. До этого времени университеты не имели своих исследовательских лабораторий, и ученые в большинстве случаев работали и совершали открытия у себя дома. Первым директором лаборатории стал великий Джеймс Клерк Максвелл, бывший инициатором ее открытия. После его ранней смерти директором был избран другой великий физик – лорд Рэлей.

В лаборатории было сделано немало великих открытий, позже она получила название Кавендишская лаборатория (по имени Генри Кавендиша) и стала мировым центром экспериментальной физики.

В 1884 году знаменитый Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей (тоже будущий нобелевский лауреат), ушел в отставку, решив продолжить научные исследования в собственной лаборатории.

Избрание на освободившийся пост профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории Джозефа Джона Томсона стало неожиданностью для многих профессоров и научных деятелей. В то время ему было всего двадцать семь лет, по специальности он был математиком, в экспериментальной физике не совершил никаких заметных открытий. Молодой ученый всего лишь разрабатывал математические модели, которые, по его мнению, должны были выявить структуру атома, и продолжал исследования Максвелла в области электромагнетизма. Через некоторое время стало ясно, что выбор на эту должность Томсона оказался очень удачным, и Джозеф Джон стал одним из великих директоров Кавендишской лаборатории.

Наиболее популярными в то время исследованиями физиков были проблемы электричества и магнетизма. В своих первых лабораторных работах Джозеф Джон решил исследовать электрическую проводимость газов и физическую природу источников, порождающих напряженности полей. Он приступил к исследованию токов в разреженных газах.

Еще в 1853 году талантливый французский физик А. Массон провел эксперимент, пропуская электрические разряды через стеклянную трубку, из которой был выкачан воздух. Впоследствии английский физик Уильям Крукс с помощью такого же устройства провел множество различных опытов. В одном из них Крукс поместил в противоположные концы трубки электроды, а между ними – вертушку с лопастями. Под действием лучей, которые распространялись отрицательно заряженным электродом – катодом, – вертушка вращалась, что давало возможность предположить, что катодные лучи являются на самом деле потоком микроскопических частиц с маленькой массой.

Крукс сделал и другие любопытные наблюдения. Если на внутреннюю поверхность трубки наносили вещества, а газ был достаточно разреженным, то под действием катодных лучей стеклянные стенки трубки возле анода флуоресцировали зеленым светом.

Мнения ученых о природе катодных лучей разошлись. Английские физики считали, что катодные лучи являют собой поток заряженных частиц, но многие континентальные физики, в частности, немецкие, исходя из опытов Генриха Герца, предполагали, что эти лучи являются волнами (колебаниями) в неизвестной невесомой среде.

Интерес к исследованиям катодных лучей подогрело открытие Вильгельмом Рентгеном в 1895 году рентгеновских лучей. Томсон стал одним из самых активных исследователей в этой области физики.

Работая вместе со своим гениальным ассистентом Эрнестом Резерфордом, он обнаружил, что под воздействием рентгеновских лучей увеличивалась электропроводность газов. Ученые опубликовали знаменитую работу, в которой сделали вывод, что возникающая проводимость очень напоминает ионную проводимость в растворе при электролизе.

В 1897 году Томсон сконструировал трубку, похожую на трубку Крукса. С ее помощью он измерял отклонения катодных лучей в электрическом поле. В ней ученый использовал две пластинки, между которыми проходили катодные лучи. Напряжение, подаваемое на пластинки, можно было увеличивать или уменьшать, и чем выше было при этом напряжение, тем сильнее должно было быть отклонение катодных лучей от прямолинейной траектории.

В результате опыта Томсон выявил отклонение катодных лучей под действием электрического поля. Впоследствии знаменитый ученый сделал вывод о том, что направление отклонения указывает на то, что составляющие частицы катодных лучей несут отрицательный электрический заряд.

Предположение Томсона подтвердил замечательный французский физик-экспериментатор Жан Перрен. Он определил знак электрического заряда составляющих частиц катодных лучей, направляя их на металлический цилиндр. В результате опыта цилиндр оказался заряженным отрицательно.

Также Томсон измерил скорость катодных лучей, которая оказалась меньше скорости света в 2000 раз, что давало еще одно доказательство в пользу корпускулярной природы лучей. Впоследствии с помощью подобного эксперимента знаменитому ученому удалось установить массу и заряд частиц, составлявших катодные лучи.

Джозеф Джон провел теоретические расчеты, которые должны были описать движение заряженной частицы под воздействием электрического и магнитного полей. По мнению Томсона, отклонение частицы от прямолинейной траектории зависело от отношения ее заряда к массе.

Вслед за этим ученый поставил эксперимент, в котором отклонял катодные лучи посредством электрического поля. Затем с помощью магнитного поля эти лучи отклоняли в противоположную сторону, так чтобы они вернулись в первоначальную позицию. Таким образом можно было определить скорость и отношение заряда частицы к ее массе.

Эксперименты блестяще подтвердили теоретические умозаключения Томсона. В результате опыта было установлено, что отношение заряда частицы к ее массе почти в 1000 раз меньше, чем у ионов водорода (на сегодняшний день известно, что истинное отношение приблизительно 1837:1). Томсон предположил, что заряд частиц равен по модулю заряду иона водорода, который к тому времени был точно вычислен с помощью экспериментов в области электролиза. Поскольку атом водорода имел нулевой заряд, то возникало предположение, что заряд открытых частиц равен по значению и противоположен по знаку заряду иона водорода.

Вскоре описанные Томсоном отрицательно заряженные частицы были названы «электронами». Открытие Джозефа Джона Томсона стало одним из важнейших открытий в физике XIX века.

Позже с помощью прибора, изобретенного Ч. Вильсоном, удалось получить значение заряда электрона. Оказалось, что оно действительно соответствует значению заряда иона водорода. Предположение Томсона подтвердилось.

В 1906 году Джозеф Джон Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

В своей презентационной речи, произнесенной 10 декабря 1906 года, профессор Дж. П. Класон, президент Шведской королевской академии наук, поблагодарил ученого за его работы, которые позволили современным физикам предпринять исследования в новых направлениях. Также Класон заявил, что Томсон по праву занимает место в одном ряду с такими гениями науки, как Фарадей и Максвелл.

В своей нобелевской лекции «Носители отрицательного заряда», прочитанной 11 декабря 1906 года, ученый детально проанализировал свое открытие электронов.

После получения Нобелевской премии Томсон продолжил свои научные исследования. Кроме открытия электрона он совершил и много других важных для науки открытий.

В своих ранних работах английский ученый исследовал электромагнитное поле движущегося заряженного шара, теорию вихрей, провел прецизионное измерение отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным единицам.

В своих работах «Электричество и материя», «Материя и эфир», «Структура света», «Фарадеевы силовые трубки и уравнения Максвелла» Томсон последовательно развивал вихревую теорию материи и взаимодействий.

Известная работа ученого «Трактат о движении вихревых колец» была удостоена приза Адамса в 1884 году. Исходя из вихревой теории эфира, Томсон вывел формулу Е = mc² задолго до Эйнштейна.

В 1886 году была опубликована его знаменитая работа «Применение динамики в физике и химии», а в 1892 году ученый отдал в печать свою новую работу «Заметки о недавних исследованиях электричества и магнетизма». Эту работу часто называют «третьим томом Максвелла». Совместно с профессором Пойнтингом Томсон написал четырехтомный учебник по физике, а в 1895 году издал работу «Элементы математической теории электричества и магнетизма», которая выдержала несколько переизданий и переводов на различные языки мира.

После открытия в 1897 году электрона Томсон предложил свою модель атома. Выдающийся ученый предположил, что атом состоит из положительно заряженной размытой сферы, в которую вкраплены маленькие отрицательно заряженные частицы – электроны. Под действием кулоновских сил электроны располагаются вблизи центра атома, а если в результате какого-либо действия частицы отклоняются от положения равновесия, то кулоновские силы восстанавливают их исходное состояние. Модель Томсона получила в среде ученых шутливое прозвище «сливовый пудинг», или «пудинговая модель».

Однако в 1910 году гениальный физик Эрнест Резерфорд, бывший ассистент Томсона, вместе со своими учениками Гейгером и Марсденом провели ряд экспериментов, в результате которых показали ошибочность модели Томсона. Резерфорд предложил новую, так называемую «планетарную» модель атома. По Резерфорду, в центре атома, подобно Солнцу, размещается положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. На электроны действует центробежная сила, которую уравновешивает электростатическое притяжение электрона к ядру. Предложенная Резерфордом модель заставила Томсона признать ошибочность своей модели атома. Позже другой гениальный физик Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, предположив, что электроны размещаются вокруг ядра на строго определенных орбитах.

После серии успешных работ, приведших к открытию электронов и их свойств, в 1899 году Томсон обнаружил электроны в фототоке, а также наблюдал эффект термоэлектронной эмиссии. Кроме того, ученый объяснил непрерывный спектр рентгеновского излучения.

Благодаря своим последующим работам Джозеф Джон Томсон стал одним из основоположников электронной теории металлов. В 1900 году он вывел формулу для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). Через год после предложения модели атома, в 1904 году, Томсон предположил, что электроны в атоме составляют группы различных конфигураций. Это явление и обусловливает периодичность химических элементов.

С 1905 года Томсон интересовался «канальными лучами» – быстро движущимися частицами, образующимися за катодом газоразрядной трубки. Ученый открыл многие их характеристики, а также выделил типы атомов и атомных групп в этих лучах.

На идеях Томсона базируется современная масс-спектрометрия.

В 1911 году английский ученый разработал метод парабол для измерения отношения массы частицы к ее заряду. И уже в следующем году, используя этот метод, он обнаружил первые изотопы. Ученый получил атомы неона с массами 20 и 22. Открытие Томсона сыграло важную роль в понимании природы радиоактивных элементов (таких как уран, радий).

В 1896 году Томсон посетил США и прочитал в Принстоне курс из четырех лекций, в которых подвел итог своих исследований. (Именно по возвращению из Америки он совершил знаменитое открытие электронов, о котором поведал всему миру на своей вечерней лекции в Королевском институте 30 апреля 1897 года.)

В 1904 году Томсон вновь поехал в Америку, где прочел шесть лекций по электричеству и материи в Йельском университете.

За свою долгую научную жизнь ученый написал множество учебников, монографий и работ, которые стали классическими еще при его жизни.

Во время Первой мировой войны нобелевский лауреат работал в Управлении исследований и изобретений и являлся советником правительства.

В 1918 году Томсон ушел в отставку, оставив пост профессора кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета и по совместительству – директора Кавендишской лаборатории, в которой совершил почти все свои гениальные открытия. В этом же году он ушел в отставку из Королевского института в Лондоне, в котором трудился с 1905 года.

В университете и лаборатории ученый проработал около 35 лет. За это время он совершил множество важных открытий, а Кавендишская лаборатория стала одним из огромнейших научно-исследовательских центров, в котором мечтали работать лучшие физики мира.

В следующем году Томсона сменил на этих постах его ассистент Эрнест Резерфорд, а сам нобелевский лауреат стал главой Тринити-колледжа Кембриджского университета.

С 1884 года ученый был членом Лондонского королевского общества, ас 1916 по 1920 год – его президентом. В 1909 году ученый стал президентом Британской ассоциации ученых.

В 1890 году, в возрасте 34 лет знаменитый ученый женился на Розе Элизабет Паджет, дочери сэра Джорджа Паджета, профессора физики Кембриджского университета. Супруги имели двух детей – дочь Джоанну и сына Джорджа.

Сын ученого, Джордж Паджет Томсон, впоследствии стал известным физиком, профессором Лондонского университета. В 1937 году он также стал лауреатом Нобелевской премии по физике, которую он получил за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

Джозеф Джон Томпсон был убежденным сторонником классической физики и придерживался теории эфира. Квантовую теорию, как и теорию относительности, он воспринял холодно и изменил свое мнение лишь после того, как его сын опытным путем обнаружил волновые свойства у электронов.

Кроме того что Томсон был величайшим физиком-классиком, совершившим революционные научные открытия, он стал основателем международной научной школы физиков. Будучи прекрасным руководителем и квалифицированным преподавателем, Томсон воспитал и раскрыл таланты многих начинающих физиков. Под его началом работали такие гении науки, как Э. Резерфорд, Ч. Вильсон, Ф. У. Астон, У. Ричардсон, П. Ланжевен. Из тех ассистентов, что работали под его руководством в Кавендишской лаборатории, семеро получили Нобелевские премии.

Знаменитый ученый Макс Борн (в будущем также нобелевский лауреат) писал, что на своем примере почувствовал обаяние личности Джозефа Джона Томсона.

Кроме Нобелевской премии Томсон был награжден различными призами и наградами, среди которых можно выделить награды Лондонского королевского общества – Королевскую медаль (1894), медаль Хьюза (1902) и медаль Копли (1914), а также медаль Ходжкинса Смитсоновского университета в Вашингтоне (1902), медаль Б. Франклина (1923), медаль Мескарта (1927), медаль Дальтона (1931), медаль М. Фарадея (1938).

Томсон был членом различных академий и научных обществ. Его удостоили почетного докторского звания университеты Оксфорда, Кембриджа, Дублина, Лондона, Геттингена, Осло, Парижа, Эдинбурга, Принстона, Афин, Кракова и др.

С 1913 года Томсон состоял иностранным почетным членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, а с 1925 года – иностранным почетным членом АН СССР.

В 1908 году знаменитый ученый был возведен в ранг рыцаря, а в 1912 году сэр Джозеф Джон Томсон был награжден орденом «За заслуги».

В октябре 1934 года Институтом электротехники был снят фильм, в котором Джозеф Джон Томсон рассказывает о своем знаменитом открытии электрона.

В свободное от работы время Джозеф Джон любил работать в саду, совершать дальние прогулки на природу.

Умер Джон Джозеф Томсон 30 августа 1940 года в возрасте 83 лет и был похоронен 4 сентября в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, неподалеку от Исаака Ньютона.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.