جي جي طومسون

تلقى طومسون تعليمه المبكر في مدارس خاصة صغيرة، حيث أظهر موهبةً واهتمامًا استثنائيين بالعلوم. في عام 1870، قُبل في كلية أوينز في مانشستر ( جامعة مانشستر حاليًا ) في سن الرابعة عشرة، وهي سن مبكرة بشكل غير معتاد، وتأثر ببالفور ستيوارت ، أستاذ الفيزياء، الذي شجعه على خوض غمار البحث الفيزيائي. ^{[ 13 ]} بدأ طومسون تجاربه في مجال التكهرب التلامسي، وسرعان ما نشر أول ورقة علمية له. ^{[ 14 ]} كان والداه يخططان لإلحاقه كمتدرب مهندس في شركة شارب، ستيوارت وشركاه ، وهي شركة مصنعة للقاطرات، لكن هذه الخطط لم تكتمل بوفاة والده عام 1873. ^{[ 9 ]}

في عام ١٨٧٦، انتقل طومسون إلى كلية ترينيتي بجامعة كامبريدج . وفي عام ١٨٨٠، حصل على درجة البكالوريوس في الرياضيات ( المركز الثاني في امتحان التريبوس ^{[ ١٥ ]} والمركز الثاني في جائزة سميث ). ^{[ ١٦ ]} وفي العام التالي، تقدم بطلب للحصول على زمالة كلية ترينيتي وأصبح زميلًا فيها. ^{[ ١٧ ]} وفي عام ١٨٨٣، حصل على درجة الماجستير ( جائزة آدامز ). ^{[ ١٦ ]}

في 22 ديسمبر 1884، عُيّن طومسون أستاذاً لفيزياء كافنديش في جامعة كامبريدج . ^{[ 5 ]} أثار هذا التعيين دهشة كبيرة؛ إذ كان مرشحون مثل أوزبورن رينولدز وريتشارد جليزبروك أكبر سناً وأكثر خبرة في العمل المخبري، بينما كان طومسون معروفاً بعمله كرياضي، حيث كان يُعتبر موهبة استثنائية. ^{[ 18 ]}

حصل طومسون على لقب فارس عام 1908، وعُيّن في وسام الاستحقاق عام 1912. وفي أكسفورد ، ألقى محاضرة رومانيس عام 1914 بعنوان "النظرية الذرية ". وفي عام 1918، أصبح رئيسًا لكلية ترينيتي في كامبريدج ، وهو المنصب الذي شغله حتى وفاته في 30 أغسطس 1940. يرقد رفاته في دير وستمنستر ، ^{[ 19 ]} بالقرب من قبري إسحاق نيوتن وطالبه السابق إرنست رذرفورد . ^{[ 20 ]}

خلفه رذرفورد في منصب أستاذ كافنديش. فاز ستة من مساعدي تومسون البحثيين وزملائه الأصغر سنًا ( تشارلز غلوفر باركلا ، ^{[ 21 ]} نيلز بور ، ^{[ 22 ]} ماكس بورن ، ^{[ 23 ]} ويليام هنري براغ ، أوين ويلانز ريتشاردسون، ^{[ 24 ] وتشارلز} تومسون ريس ويلسون ^{) بجائزة} نوبل في الفيزياء ، وفاز اثنان ( فرانسيس ويليام أستون، ^{[ 26 ] وإرنست} رذرفورد ^{) بجائزة} نوبل في الكيمياء . فاز ابن تومسون، جورج باجيت تومسون ، بجائزة نوبل في الفيزياء عام 1937 لإثباته الخصائص الموجية للإلكترونات. ^{[ 28 ]}

يُظهر كتاب تومسون الحائز على جائزة الماجستير، بعنوان "رسالة في حركة حلقات الدوامات "، اهتمامه المبكر بالبنية الذرية. ^{[ 29 ]} وقد وصف تومسون فيه رياضياً حركات نظرية الدوامات للورد كلفن للذرة . ^{[ 18 ]}

نشر طومسون عدداً من الأبحاث التي تناولت المسائل الرياضية والتجريبية المتعلقة بالكهرومغناطيسية . وقد درس النظرية الكهرومغناطيسية للضوء لجيمس كلارك ماكسويل ، وقدم مفهوم الكتلة الكهرومغناطيسية للجسيم المشحون ، وأثبت أن الجسم المشحون المتحرك سيزداد في كتلته ظاهرياً. ^{[ 18 ]}

يمكن اعتبار جزء كبير من أعماله في النمذجة الرياضية للعمليات الكيميائية بمثابة بدايات الكيمياء الحاسوبية . ^{[ 5 ]} وفي عمل لاحق، نُشر في كتاب بعنوان " تطبيقات الديناميكا في الفيزياء والكيمياء " (1888)، تناول طومسون تحول الطاقة من منظور رياضي ونظري، مقترحًا أن جميع أنواع الطاقة قد تكون حركية. ^{[ 18 ]} أما كتابه التالي، " ملاحظات حول الأبحاث الحديثة في الكهرباء والمغناطيسية " (1893)، فقد استند إلى كتاب ماكسويل " رسالة في الكهرباء والمغناطيسية "، وكان يُشار إليه أحيانًا باسم "المجلد الثالث لماكسويل". ^{[ 29 ]} وقد ركز طومسون فيه على الأساليب الفيزيائية والتجريب، وأدرج فيه رسومات ومخططات تفصيلية للأجهزة، بما في ذلك رسم توضيحي لمرور الكهرباء عبر الغازات. ^{[ 18 ]} أما كتابه الثالث، " عناصر النظرية الرياضية للكهرباء والمغناطيسية" (1895) ^{[ 30 ]،} فقد كان مدخلًا سهل القراءة لمجموعة واسعة من المواضيع، وحقق شهرة واسعة ككتاب دراسي. ^{[ 18 ]}

نُشرت سلسلة من أربع محاضرات ألقاها طومسون خلال زيارة لجامعة برينستون عام 1896، لاحقاً تحت عنوان "تفريغ الكهرباء عبر الغازات " (1897). كما قدم سلسلة من ست محاضرات في جامعة ييل عام 1904. ^{[ 29 ]}

اقترح العديد من العلماء، مثل ويليام براوت ونورمان لوكير ، أن الذرات تتكون من وحدة أساسية أكبر، لكنهم تصوروا أن هذه الوحدة بحجم أصغر ذرة، وهي الهيدروجين. وكان طومسون، في عام 1897، أول من اقترح أن إحدى الوحدات الأساسية للذرة أصغر من الذرة بأكثر من ألف مرة، مما يشير إلى الجسيم دون الذري المعروف الآن باسم الإلكترون. اكتشف طومسون ذلك من خلال دراساته لخصائص أشعة الكاثود . وقدّم طومسون اقتراحه في 30 أبريل 1897 بعد اكتشافه أن أشعة الكاثود (التي كانت تُعرف آنذاك بأشعة لينارد ) يمكنها أن تقطع مسافة أطول بكثير في الهواء مما هو متوقع لجسيم بحجم الذرة. ^{[ 31 ]} وقدّر كتلة أشعة الكاثود بقياس الحرارة المتولدة عند اصطدام الأشعة بوصلة حرارية ومقارنتها بالانحراف المغناطيسي للأشعة. أشارت تجاربه ليس فقط إلى أن أشعة الكاثود أخف من ذرة الهيدروجين بأكثر من ألف مرة، بل أيضاً إلى أن كتلتها متساوية بغض النظر عن نوع الذرة التي انبثقت منها. وخلص إلى أن هذه الأشعة تتكون من جسيمات خفيفة جداً سالبة الشحنة، تُعدّ وحدة بناء أساسية للذرات. أطلق عليها اسم "جسيمات"، لكن العلماء اللاحقين فضلوا اسم "الإلكترون "، الذي اقترحه جورج جونستون ستوني عام 1891، قبل اكتشاف طومسون. ^{[ 32 ]}

في أبريل 1897، لم يكن لدى طومسون سوى مؤشرات أولية على إمكانية انحراف أشعة الكاثود كهربائيًا (إذ اعتقد باحثون سابقون، مثل هاينريش هيرتز، أنها غير قابلة للانحراف). بعد شهر من إعلان طومسون عن الجسيم، وجد أنه يستطيع انحراف الأشعة بدقة بواسطة مجال كهربائي إذا قام بتفريغ أنبوب التفريغ إلى ضغط منخفض جدًا. وبمقارنة انحراف حزمة أشعة الكاثود بواسطة المجالين الكهربائي والمغناطيسي، حصل على قياسات أكثر دقة لنسبة الكتلة إلى الشحنة، مما أكد تقديراته السابقة. ^{[ 33 ]} أصبحت هذه الطريقة الوسيلة الكلاسيكية لقياس نسبة الشحنة إلى الكتلة للإلكترون. وفي وقت لاحق من عام 1899، قاس شحنة الإلكترون ووجدها من 1000 إلكترون فولت.6.8 × 10 ⁻¹⁰  وحدة كهروسكونية . ^{[ 34 ]}

اعتقد طومسون أن الجسيمات تنشأ من ذرات الغاز النزري داخل أنابيب أشعة الكاثود . واستنتج من ذلك أن الذرات قابلة للانقسام، وأن الجسيمات هي لبناتها الأساسية. في عام 1904، اقترح طومسون نموذجًا للذرة، مفترضًا أنها كرة من المادة الموجبة تحدد فيها القوى الكهروستاتيكية مواقع الجسيمات. ^{[ 5 ]} ولتفسير الشحنة المتعادلة الكلية للذرة، اقترح أن الجسيمات موزعة في بحر متجانس من الشحنة الموجبة. في هذا " النموذج الشبيه بحلوى البرقوق "، تُرى الإلكترونات وكأنها مغمورة في الشحنة الموجبة مثل الزبيب في حلوى البرقوق (مع أنها في نموذج طومسون لم تكن ثابتة، بل تدور بسرعة). ^{[ 35 ] [ 36 ]}

توصل تومسون إلى هذا الاكتشاف في نفس الوقت تقريبًا الذي اكتشف فيه والتر كوفمان وإميل فيشرت النسبة الصحيحة بين كتلة وشحنة أشعة الكاثود هذه (الإلكترونات). ^{[ 37 ]}

اعتمد المجتمع العلمي اسم "الإلكترون" لهذه الجسيمات، ويعود الفضل في ذلك بشكل رئيسي إلى جهود جورج فرانسيس فيتزجيرالد ، وجوزيف لارمور ، وهندريك لورنتز . ^{[ 38 ] : 273} وقد صاغ جورج جونستون ستوني هذا المصطلح في الأصل عام 1891 كاسم مبدئي للوحدة الأساسية للشحنة الكهربائية (التي لم تكن قد اكتُشفت بعد). ^{[ 39 ] [ 40 ]} لسنوات، قاوم طومسون استخدام كلمة "إلكترون" لأنه لم يرق له حديث بعض الفيزيائيين عن "الإلكترون الموجب" باعتباره الوحدة الأساسية للشحنة الموجبة، تمامًا كما أن "الإلكترون السالب" هو الوحدة الأساسية للشحنة السالبة. فضل طومسون استخدام كلمة "جسيم" التي عرّفها بدقة بأنها مشحونة بشحنة سالبة. ^{[ 41 ]} لكنه تراجع عن ذلك بحلول عام 1914، واستخدم كلمة "إلكترون" في كتابه "النظرية الذرية " . ^{[ 42 ]} في عام 1920، اتفق رذرفورد وزملاؤه على تسمية نواة أيون الهيدروجين بـ "البروتون"، مما أرسى اسماً مميزاً لأصغر جسيم معروف من المادة يحمل شحنة موجبة (والذي يمكن أن يوجد بشكل مستقل على أي حال). ^{[ 43 ]}

في عام ١٩١٢، وفي إطار بحثه عن تركيب تيارات الجسيمات المشحونة إيجابياً، والتي كانت تُعرف آنذاك بأشعة القناة ، قام طومسون ومساعده البحثي، إف دبليو أستون ، بتوجيه تيار من أيونات النيون عبر مجال مغناطيسي وآخر كهربائي، وقاسوا انحرافه بوضع لوحة فوتوغرافية في مساره. ^{[ ٩ ]} لاحظا بقعتين ضوئيتين على اللوحة الفوتوغرافية (انظر الصورة على اليمين)، مما يشير إلى وجود قطعين مكافئين مختلفين للانحراف، واستنتجا أن النيون يتكون من ذرات ذات كتلتين ذريتين مختلفتين (نيون-٢٠ ونيون-٢٢)، أي من نظيرين . [ ^{٤٤ ] [ ٤٥ ] كان} هذا أول دليل على وجود نظائر لعنصر مستقر؛ وكان فريدريك سودي قد اقترح سابقاً وجود النظائر لتفسير اضمحلال بعض العناصر المشعة .

كان فصل نظائر النيون بواسطة طومسون حسب كتلتها أول مثال على قياس الطيف الكتلي ، والذي تم تحسينه وتطويره لاحقًا إلى طريقة عامة بواسطة إف دبليو أستون وإيه جيه ديمبستر . ^{[ 5 ] [ 6 ]}

في وقت سابق، ناقش الفيزيائيون ما إذا كانت أشعة الكاثود غير مادية مثل الضوء ("عملية ما في الأثير ") أم أنها "في الواقع مادية تمامًا، و... تحدد مسارات جسيمات المادة المشحونة بشحنة كهربائية سالبة"، كما نقل عن طومسون. ^{[ 33 ]} كانت فرضية الأثير غامضة، ^{[ 33 ]} لكن فرضية الجسيمات كانت محددة بما يكفي ليختبرها طومسون.

الشحنة الكهربائية

بينما أقرّ مؤيدو نظرية الأثير بإمكانية إنتاج جسيمات سالبة الشحنة في أنابيب كروكس ، إلا أنهم اعتقدوا أنها مجرد ناتج ثانوي وأن أشعة الكاثود نفسها غير مادية. شرع طومسون في التحقق مما إذا كان بإمكانه بالفعل فصل الشحنة عن الأشعة.

قام طومسون بتصميم أنبوب كروكس مزود بمقياس كهربائي مثبت على أحد جانبيه، بعيدًا عن المسار المباشر لأشعة الكاثود. تمكن طومسون من تتبع مسار الشعاع من خلال مراقبة البقعة الفسفورية التي يُحدثها عند اصطدامه بسطح الأنبوب. لاحظ طومسون أن المقياس الكهربائي لم يسجل شحنة إلا عندما قام بتحويل مسار شعاع الكاثود نحوه باستخدام مغناطيس. استنتج أن الشحنة السالبة والأشعة هما شيء واحد. ^{[ 31 ]}

الانحراف الكهربائي

رسم تومسون أنبوب كروكس الذي استخدمه لمراقبة انحراف أشعة الكاثود بفعل المجال الكهربائي (وقاس لاحقًا نسبة كتلتها إلى شحنتها). انبعثت أشعة الكاثود من الكاثود C، ومرت عبر الفتحتين A (الأنود) وB (المؤرضة ) ، ثم عبر المجال الكهربائي المتولد بين اللوحين D وE، لتصطدم أخيرًا بالسطح عند الطرف البعيد.

انحرف شعاع الكاثود (الخط الأزرق) بفعل المجال الكهربائي (الأصفر).

في شهري مايو ويونيو من عام 1897، بحث طومسون فيما إذا كان من الممكن انحراف الأشعة بواسطة مجال كهربائي أم لا. ^{[ 9 ]} فشل المجربون السابقون في ملاحظة ذلك، لكن طومسون اعتقد أن تجاربهم كانت معيبة لأن أنابيبهم احتوت على كمية كبيرة جدًا من الغاز.

قام طومسون بتصميم أنبوب كروكس بتفريغ أفضل. في بداية الأنبوب، وُضع المهبط الذي تنطلق منه الأشعة. تم تركيز الأشعة على شكل حزمة بواسطة فتحتين معدنيتين - الأولى منهما تعمل كمصعد، والثانية موصولة بالأرض. ثم تمر الحزمة بين لوحين متوازيين من الألومنيوم، مما يُولد مجالًا كهربائيًا بينهما عند توصيلهما ببطارية. في نهاية الأنبوب، توجد كرة كبيرة حيث تصطدم الحزمة بالزجاج، مُحدثةً بقعة متوهجة. قام طومسون بلصق مقياس على سطح هذه الكرة لقياس انحراف الحزمة. أي حزمة إلكترونية ستصطدم ببعض ذرات الغاز المتبقية داخل أنبوب كروكس، مما يؤدي إلى تأيينها وإنتاج إلكترونات وأيونات في الأنبوب ( شحنة فضائية )؛ في تجارب سابقة، قامت هذه الشحنة الفضائية بحجب المجال الكهربائي الخارجي. ومع ذلك، في أنبوب كروكس الخاص بطومسون، كانت كثافة الذرات المتبقية منخفضة للغاية لدرجة أن الشحنة الفضائية من الإلكترونات والأيونات لم تكن كافية لحجب المجال الكهربائي الخارجي المطبق كهربائيا، مما سمح لطومسون بملاحظة الانحراف الكهربائي بنجاح.

عندما تم توصيل اللوحة العلوية بالقطب السالب للبطارية واللوحة السفلية بالقطب الموجب، تحركت الرقعة المتوهجة إلى الأسفل، وعندما تم عكس القطبية، تحركت الرقعة إلى الأعلى.

قياس نسبة الكتلة إلى الشحنة

في تجربته الكلاسيكية، قاس طومسون نسبة الكتلة إلى الشحنة لأشعة الكاثود عن طريق قياس مقدار انحرافها بفعل مجال مغناطيسي ومقارنته بالانحراف الكهربائي. استخدم نفس الجهاز المستخدم في تجربته السابقة، لكنه وضع أنبوب التفريغ بين قطبي مغناطيس كهربائي كبير. ووجد أن نسبة الكتلة إلى الشحنة كانت أقل بأكثر من ألف مرة من نسبة أيون الهيدروجين (H ⁺ )، مما يشير إما إلى أن الجسيمات خفيفة جدًا و/أو مشحونة بشدة. ^{[ 33 ]} والجدير بالذكر أن الأشعة الصادرة من كل كاثود أعطت نفس نسبة الكتلة إلى الشحنة. وهذا على النقيض من أشعة الأنود (المعروف الآن أنها تنشأ من أيونات موجبة منبعثة من الأنود)، حيث تختلف نسبة الكتلة إلى الشحنة من أنود إلى آخر. وقد ظل طومسون نفسه ينتقد ما توصل إليه عمله، إذ أشار في خطاب قبوله جائزة نوبل إلى "جسيمات" بدلًا من "إلكترونات".

يمكن تلخيص حسابات طومسون على النحو التالي (باستخدام ترميزه الأصلي، مع استخدام F بدلاً من E للمجال الكهربائي و H بدلاً من B للمجال المغناطيسي):

يُعطى الانحراف الكهربائي بالعلاقة التالية${\displaystyle \Theta =Fel/mv^{2}}$حيث Θ هي الانحراف الكهربائي الزاوي، وF هي شدة المجال الكهربائي المطبق، وe هي شحنة جسيمات أشعة الكاثود، وl هو طول الألواح الكهربائية، وm هي كتلة جسيمات أشعة الكاثود، وv هي سرعة جسيمات أشعة الكاثود. ويُعطى الانحراف المغناطيسي بالعلاقة التالية:${\displaystyle \phi =Hel/mv}$، حيث φ هو الانحراف المغناطيسي الزاوي و H هي شدة المجال المغناطيسي المطبق.

تم تغيير المجال المغناطيسي حتى تساوى الانحراف المغناطيسي والكهربائي، عندما ${\displaystyle \Theta =\phi ,Fel/mv^{2}=Hel/mv}$يمكن تبسيط ذلك لإعطاء${\displaystyle m/e=H^{2}l/F\Theta }$تم قياس الانحراف الكهربائي بشكل منفصل لإعطاء Θ و H، وكانت F و l معروفة، لذلك يمكن حساب m/e.

في عام 1905، اكتشف طومسون النشاط الإشعاعي الطبيعي للبوتاسيوم . ^{[ 48 ]}

في عام 1906، أثبت طومسون أن ذرة الهيدروجين تحتوي على إلكترون واحد فقط . بينما سمحت النظريات السابقة بأعداد مختلفة من الإلكترونات. ^{[ 49 ] [ 50 ]}

في الفترة من عام 1916 إلى عام 1918، ترأس تومسون "اللجنة التي شكلها رئيس الوزراء للتحقيق في مكانة العلوم الطبيعية في النظام التعليمي لبريطانيا العظمى". عُرف تقرير اللجنة، الذي نُشر عام 1918، باسم تقرير تومسون. ^{[ 51 ]}