בשנת 1897, הפיזיקאי הבריטי ג'וזף ג'ון תומסון (1856-1940) גילה את האלקטרון לאחר סדרה של ניסויים שמטרתם לחקור את טבעה של פריקה חשמלית בוואקום. המדען המפורסם פירש את סטיות האלומה של לוחות ומגנטים טעונים חשמלית כראיה לכך שהאלקטרונים קטנים בהרבה מאטומים.
הפיזיקאי והמדען הגדול היו צריכים להפוך למהנדס
תומסון ג'וזף ג'ון, מדען גדול, פיזיקאי ומנטור, היה אמור להיות מהנדס, כפי שחשב אביו, אבל באותה תקופה למשפחה לא היו אמצעים לשלם עבור השכלה. במקום זאת, תומסון הצעיר למד בקולג' במסטר ואחר כך בקיימברידג'. בשנת 1884 הוא מונה לתפקיד היוקרתי של פרופסור לפיזיקה ניסיונית בקיימברידג', אם כי הוא אישית עשה מעט מאוד עבודה ניסיונית. הוא גילה את כישרונו בפיתוח חומרה ובאבחון של בעיות קשורות. תומסון ג'וזף ג'ון היה מורה טוב, שהעניק השראה לתלמידיו ונתנהתשומת לב רבה לבעיה הרחבה של פיתוח מדע ההוראה באוניברסיטה ובתיכון.
חתן פרס נובל
תומסון קיבל פרסים רבים ושונים, כולל פרס נובל לפיזיקה ב-1906. הוא גם נהנה לראות כמה ממקורביו מקבלים את פרסי נובל שלהם, כולל רתרפורד בכימיה ב-1908. מספר מדענים כמו ויליאם פרוט ונורמן לוקייר הציעו שאטומים אינם החלקיקים הקטנים ביותר ביקום ושהם בנויים מיחידות יסודיות יותר.
גילוי האלקטרון (קצרה)
בשנת 1897, תומפסון הציע שאחת מהיחידות הבסיסיות קטנה פי 1,000 מאטום, החלקיק התת-אטומי הזה נודע בשם האלקטרון. המדען גילה זאת באמצעות מחקריו על תכונות הקרניים הקתודיות. הוא העריך את מסת קרני הקתודה על ידי מדידת החום שנוצר כאשר קרני המעבר התרמי פגעו והשווה אותו להטיה המגנטית של האלומה. הניסויים שלו מראים לא רק שקרני הקתודה קלות פי 1000 מאטום מימן, אלא גם שהמסה שלהן הייתה זהה ללא קשר לסוג האטום. המדען הגיע למסקנה שהקרניים מורכבות מחלקיקים קלים מאוד, בעלי מטען שלילי, שהם חומר הבניין האוניברסלי לאטומים. הוא כינה את החלקיקים הללו "גופים", אך מאוחר יותר מדענים העדיפו את השם "אלקטרונים", שהוצע על ידי ג'ורג' ג'ונסטון סטוני ב-1891.
הניסויים של תומפסון
בהשוואת הסטייה של אלומות קתודה עם שדות חשמליים ומגנטיים, הפיזיקאי השיג מדידות אמינות יותר של המטען והמסה של האלקטרון. הניסוי של תומסון בוצע בתוך שפופרות קרני קתודיות מיוחדות. בשנת 1904, הוא שיער שהמודל של האטום הוא כדור של חומר חיובי שבו מיקום החלקיקים נקבע על ידי כוחות אלקטרוסטטיים. כדי להסביר את המטען הנייטרלי בדרך כלל של האטום, תומפסון הציע שהגופיות היו מפוזרות בשדה אחיד של מטען חיובי. גילוי האלקטרון אפשר להאמין שניתן לחלק את האטום לחלקים קטנים עוד יותר, והיה הצעד הראשון לקראת יצירת מודל מפורט של האטום.
היסטוריית גילוי
ג'וזף ג'ון תומסון ידוע כמגלה האלקטרון. במשך רוב הקריירה שלו, הפרופסור עבד על היבטים שונים של הולכת חשמל באמצעות גזים. בשנת 1897 (שנת גילוי האלקטרון), הוא הוכיח בניסוי כי מה שמכונה קרני קתודה הן למעשה חלקיקים בעלי מטען שלילי בתנועה.
שאלות מעניינות רבות קשורות ישירות לתהליך הפתיחה. ברור שהאפיון של קרני קתודה קדם לתומסון, וכמה מדענים כבר תרמו תרומות חשובות. האם נוכל אז לומר בוודאות שתומסון היה זה שגילה את האלקטרון הראשון? אחרי הכל, הוא לא המציא את צינור הוואקום או את נוכחותן של קרני קתודה. גילוי האלקטרון הוא תהליך מצטבר בלבד. החלוץ הנחשב תורם את החשוב ביותרתרומה, סיכום ושיטתיות של כל הניסיון שנצבר לפניו.
שפופרות קתודיות של תומסון
הגילוי הגדול של האלקטרון נעשה בציוד מיוחד ובתנאים מסוימים. תומסון ערך סדרה של ניסויים באמצעות שפופרת קרן קתודית משוכללת, הכוללת שני לוחות, אלומות היו אמורות לנוע ביניהן. הושעתה המחלוקת ארוכת השנים בנוגע לאופין של קרני קתודה, המתעוררות כאשר זרם חשמלי עובר בכלי שממנו פונה רוב האוויר.
כלי זה היה שפופרת קרן קתודית. באמצעות שיטת ואקום משופרת הצליח תומסון לטעון טענה משכנעת שהאלומות הללו מורכבות מחלקיקים, ללא קשר לסוג הגז ולסוג המתכת ששימשה כמוליך. אפשר לכנות את תומסון בצדק האיש שפיצל את האטום.
מתבודד מדעי? זה לא על תומסון
הפיזיקאי המצטיין של זמנו לא היה בשום אופן מתבודד מדעי, כפי שחושבים לעתים קרובות על מדענים מבריקים. הוא היה המנהל האדמיניסטרטיבי של מעבדת קוונדיש המצליחה מאוד. שם פגש המדען את רוז אליזבת פאג'ט, לה נישא ב-1890.
תומסון לא רק ניהל מספר פרויקטים מחקריים, הוא גם מימן את השיפוץ של מתקני מעבדה עם מעט תמיכה מהאוניברסיטה והמכללות. זה היה מוכשרמוֹרֶה. האנשים שאסף סביבו מ-1895 עד 1914 הגיעו מכל העולם. כמה מהם זכו בשבעה פרסי נובל תחתיו.
במהלך העבודה עם תומסון במעבדת קוונדיש ב-1910 ערך ארנסט רתרפורד מחקר שהוביל להבנה מודרנית של המבנה הפנימי של האטום.
תומסון לקח את הוראתו ברצינות רבה: הוא הרצה בקביעות בכיתות היסודי בבוקר ולימד מדעים לסטודנטים בוגרים אחר הצהריים. המדען ראה שהדוקטרינה שימושית עבור החוקר, שכן היא דורשת עדכון תקופתי של הרעיונות הבסיסיים ובו בזמן להשאיר מקום לאפשרות לגלות משהו חדש שאיש לא שם לב אליו קודם לכן. ההיסטוריה של גילוי האלקטרון מאשרת זאת בבירור. תומפסון הקדיש את רוב פעילותו המדעית לחקר המעבר של חלקיקי זרם טעונים חשמלית דרך גזים נדירים וחלל ואקום. הוא עסק בחקר קתודה וקרני רנטגן ותרם תרומה עצומה לחקר הפיזיקה האטומית. בנוסף, תומסון גם פיתח תיאוריה של תנועת אלקטרונים בשדות מגנטיים וחשמליים.
