جی.جی. تامسون، به طور کامل، سر جوزف جان تامسون، (متولد 18 دسامبر 1856، چیتام هیل، در نزدیکی منچستر، انگلستان – درگذشت 30 اوت 1940، کمبریج، کمبریج شایر)، فیزیکدان انگلیسی که با کشف خود از ساختار اتمی کمک کرد انقلابی در دانش ساختار اتمی ایجاد کند. برای مطالعه کامل مقاله با مجله علمی آندرومدامگ همراه باشید.
او در سال 1906 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد و در سال 1908 شوالیه شد.
تحصیلات و شغل اولیه
تامسون پسر یک کتابفروش در حومه منچستر بود. زمانی که او تنها 14 سال داشت، وارد کالج اونز شد که اکنون دانشگاه منچستر است. او از این نظر خوش شانس بود که برخلاف اکثر کالج های آن زمان، اوونز دروس فیزیک تجربی را ارائه داد. در سال 1876 در کالج ترینیتی کمبریج بورسیه تحصیلی گرفت و تا پایان عمر در آنجا ماند. پس از اخذ مدرک لیسانس در سال 1880 در رشته ریاضیات تحصیل کرد و فرصت انجام تحقیقات تجربی او را به آزمایشگاه کاوندیش کشاند. او همچنین شروع به توسعه نظریه الکترومغناطیس کرد. همانطور که جیمز کلرک ماکسول بیان کرد، الکتریسیته و مغناطیس به هم مرتبط بودند. تغییرات کمی در یکی تغییرات مربوطه را در دیگری ایجاد کرد.
به رسمیت شناختن سریع دستاورد تامسون توسط جامعه علمی در سال 1884 با انتخاب او به عنوان عضو انجمن سلطنتی لندن و انتصاب به کرسی فیزیک در آزمایشگاه کاوندیش صورت گرفت. تامسون در مقطع حساسی از تاریخ وارد فیزیک شد. به دنبال اکتشافات بزرگ قرن نوزدهم در الکتریسیته، مغناطیس و ترمودینامیک، بسیاری از فیزیکدانان در دهه 1880 می گفتند که علم آنها مانند یک معدن تمام شده رو به پایان است. با این حال، تا سال 1900، فقط محافظه کاران مسن این دیدگاه را داشتند و تا سال 1914 فیزیک جدیدی وجود داشت که در واقع، سوالات بیشتری را نسبت به آنچه می توانست پاسخ دهد، ایجاد کرد. فیزیک جدید برای کسانی که به اندازه کافی خوش شانس بودند و امکانات بی حد و حصر آن را می دیدند بسیار هیجان انگیز بود. احتمالاً بیش از نیم دوجین فیزیکدان بزرگ با این تغییر همراه نبودند. اگرچه همه افراد نام یکسانی را ذکر نمی کردند، اما اکثریت کسانی که واجد شرایط قضاوت بودند، تامسون را شامل می شدند.
کشف الکترون
مهمترین خط کار تامسون که فقط برای سخنرانی در دانشگاه پرینستون در سال 1896 قطع شد، همان چیزی بود که او را در سال 1897 به این نتیجه رساند که همه مواد، هر منبعی که داشته باشند، حاوی ذراتی از یک نوع هستند که جرم آنها بسیار کمتر از اتم های که بخشی از آن را تشکیل می دهند. آنها اکنون الکترون نامیده می شوند، اگرچه او در ابتدا آنها را جسم نامیده است. کشف او نتیجه تلاشی برای حل یک مناقشه طولانی مدت در مورد ماهیت پرتوهای کاتدی بود که زمانی اتفاق می‌افتد که جریان الکتریکی از ظرفی عبور می‌کند که بیشتر هوا یا گاز دیگر از آن خارج شده است. تقریباً تمام فیزیکدانان آلمانی آن زمان معتقد بودند که این پرتوهای مرئی در اثر وقوع در اتر – ماده بی وزنی که در آن زمان تصور می شد تمام فضا را فرا می گیرد – تولید می شوند، اما آنها نه نور معمولی هستند و نه اشعه ایکس که اخیراً کشف شده است. از سوی دیگر فیزیکدانان انگلیسی و فرانسوی معتقد بودند که این پرتوها ذرات برق دار هستند. تامسون با بکارگیری تکنیک بهبودیافته خلاء توانست استدلال قانع کننده ای ارائه دهد که این پرتوها از ذرات تشکیل شده اند. علاوه بر این، به نظر می‌رسید که این پرتوها از همان ذرات یا ذرات تشکیل شده‌اند، صرفنظر از اینکه چه نوع گازی تخلیه الکتریکی را حمل می‌کند یا از چه فلزاتی به عنوان رسانا استفاده می‌شود. نتیجه گیری تامسون مبنی بر اینکه این ذرات در انواع مواد وجود دارند در طول سه سال بعد تقویت شد، زمانی که او متوجه شد که ذرات با همان خواص را می‌توان به روش‌های دیگری تولید کرد – مثلاً از فلزات داغ. تامسون را می‌توان به عنوان «مردی که اتم را برای اولین بار شکافت» توصیف کرد، اگرچه با توجه به اندازه و تعداد الکترون‌ها، کلمه «تراشه‌شده» می‌تواند کلمه بهتری باشد. اگرچه برخی از اتم ها حاوی تعداد زیادی الکترون هستند، اما جرم کل الکترون ها هرگز به اندازه 1/1000 اتم نیست.
در آغاز قرن حاضر، بیشتر دنیای علمی کشف گسترده تامسون را به طور کامل پذیرفته بود. در سال 1903 او این فرصت را داشت که نظرات خود را در مورد رفتار ذرات زیراتمی در پدیده های طبیعی تقویت کند، زمانی که در سخنرانی های سیلیمن خود در دانشگاه ییل، نظریه ای ناپیوسته از نور را پیشنهاد کرد. فرضیه او نظریه بعدی فوتون های آلبرت انیشتین را پیش بینی کرد. او در سال 1906 جایزه نوبل فیزیک را برای تحقیقات خود در زمینه هدایت الکتریکی گازها دریافت کرد. در سال 1908 او لقب شوالیه را دریافت کرد. در سال 1909 او رئیس انجمن بریتانیا برای پیشرفت علم شد. و در سال 1912 نشان لیاقت را دریافت کرد.
با این حال، تامسون به هیچ وجه منزوی علمی نبود. در پربارترین سال‌های دانشمندی، او رئیس اداری آزمایشگاه بسیار موفق کاوندیش بود. (در آنجا بود که رز الیزابت پاژه را ملاقات کرد که در سال 1890 با او ازدواج کرد). آزمایشگاه کاوندیش به جز کمک مالی کوچک دولتی به انجمن سلطنتی برای کمک به همه دانشگاه‌های بریتانیا و همه شاخه‌های علوم، هیچ کمک مالی دیگری از دولت دریافت نکرد، و همچنین کمک‌هایی از سوی شرکت‌های خیریه یا صنعت صورت نگرفت. هدیه ای از یک کارمند فداکار، خرید یک ماشین کوچک هوای مایع را برای تحقیقات تامسون در مورد پرتوهای مثبت، که دانش هسته های اتمی اخیراً کشف شده را به شدت افزایش می دهد، امکان پذیر کرد.
علاوه بر این، تامسون یک معلم برجسته بود. اهمیت او در فیزیک تقریباً به همان اندازه به کارهایی که از دیگران الهام می‌بخشد بستگی داشت. گروهی از مردانی که او بین سال‌های 1895 تا 1914 دور خود جمع کرد، از سرتاسر جهان آمدند و پس از کار زیر نظر او، کرسی‌های استادی بسیاری را در خارج از کشور پذیرفتند. هفت جایزه نوبل به کسانی اعطا شد که زیر نظر او کار کردند. به عنوان مثال، زمانی که در سال 1910 با تامسون در آزمایشگاه کاوندیش کار می کرد، ارنست رادرفورد تحقیقاتی را انجام داد که منجر به درک مدرن از ساختار داخلی اتم شد. در این فرآیند، مدل اتمی رادرفورد جایگزین مدل موسوم به پودینگ آلو از ساختار اتمی شد که توسط لرد کلوین پیشنهاد شده بود. مدل اتمی تامسون به دلیل پشتیبانی قوی که تامسون برای چند سال از آن داشت، به مدل اتمی تامسون معروف است.
تامسون وظایف تدریس خود را بسیار جدی می گرفت: او به طور منظم در کلاس های ابتدایی در صبح و برای فارغ التحصیلان در بعد از ظهر سخنرانی می کرد. او تدریس را برای یک محقق مفید می‌دانست، زیرا او را ملزم به تجدیدنظر در ایده‌های اساسی می‌کرد که در غیر این صورت ممکن بود بدیهی تلقی می‌شدند. او هرگز به مردی که وارد یک حوزه تحقیقاتی جدید می شود توصیه نکرد که با خواندن کارهایی که قبلا انجام شده است شروع کند. در عوض، تامسون عاقلانه فکر کرد که محقق ابتدا ایده های خود را روشن کند. سپس می‌توانست با خیال راحت گزارش‌های دیگران را بخواند، بدون اینکه دیدگاه‌های خود تحت تأثیر فرضیاتی باشد که ممکن است به سختی از آنها دوری کند.
تامسون طیف گسترده ای از علایق خود را در خارج از علم با علاقه اش به سیاست، داستان های جاری، نمایشنامه، ورزش های دانشگاهی و جنبه های غیر فنی علم نشان داد. اگرچه او ورزشکار نبود، اما از طرفداران پرشور تیم های کریکت و راگبی کمبریج بود. اما بیشترین علاقه او در خارج از فیزیک به گیاهان بود. او از پیاده روی طولانی در حومه شهر لذت می برد، به ویژه در مناطق تپه ای نزدیک کمبریج، جایی که او به دنبال نمونه های گیاه شناسی کمیاب برای باغ استادانه خود می گشت. در سال 1918 تامسون استاد کالج ترینیتی شد. این مقام که تا زمان مرگ در آن باقی ماند، به او فرصتی داد تا با جوانان زیادی که علایقشان خارج از حوزه علم بود، آشنا شود. او از این جلسات لذت می برد و دوستان جدید زیادی پیدا کرد.
میراث
تا حد زیادی این تامسون بود که فیزیک اتمی را به یک علم مدرن تبدیل کرد. مطالعات سازمان هسته ای که حتی تا به امروز ادامه دارد و شناسایی بیشتر ذرات بنیادی همه به دنبال برجسته ترین دستاورد او، یعنی کشف الکترون در سال 1897 است. اگرچه این فیزیک سؤالات نظری بسیاری را برانگیخته است، اما از همان ابتدا به سرعت منجر به ایجاد آن شد. این امر کاربردهای عملی در فناوری و صنعت را نیز برعهده گرفت.