J.
J.J.トムソンは、1897年に初の素粒子である電子を発見し、科学を新たな高みへと導きました。
彼はまた、安定した元素が同位体として存在するという最初の証拠を発見し、分析化学において最も強力なツールのひとつである質量分析計を発明しました。
Beginnings: 学校と大学
ジョセフ・ジョン・トムソンは、1856年12月18日にイギリス・イングランドのマンチェスターで生まれました。
父のジョセフ・ジェームス・トムソンは、3代続く専門書店を経営していました。
少年時代から、後にJ.J.と呼ばれるようになるジョーイは、科学に深い興味を持っていました。
内気な少年だったので、両親は機関車会社のエンジニア見習いになることを望んでいました。
内気な少年だった彼の両親は、彼が機関車会社のエンジニア見習いになることを望んでいた。 技師見習いの費用は高額で、母親にはその余裕がなかったのだ。
この不幸は、J.J.が教育を続けるための資金を確保する必要があったため、結果的に科学に貢献することになりました。 1876年、19歳のとき、J.J.はケンブリッジ大学で工学ではなく数学の分野で資金を獲得しました。
トムソンはケンブリッジ大学で勉強を続け、1882年には同大学で最も人気のある数学賞のひとつであるアダム賞を受賞した。 1883年には数学の修士号を取得した。
初期の研究活動
原子
トムソンが研究生として働き始めたとき、誰も原子の形を明確にイメージしていなかった。 トムソンは、原子を煙の輪に見立てて、それを記述する数学を調べてみようと考えた。 アダム賞と修士号を授与されたこの作品には、「渦輪の運動に関する論考」というタイトルが付けられている。 タイトルや冒頭の章を見ると、応用数学が主なテーマであるように思われますが、最後の章の見出しを見ると、次のように書かれています。
- 気体の圧力。ボイルの法則
- 熱発散
- 化学理論の概略
- 量的理論
- 諸元素の価数
トムソンは、物質をより深く理解するために、強力な数学的頭脳を働かせていたのです。
電気と磁気
トムソンは、原子に加えて、電気と磁気が1つの力（電磁力）の現れであることを明らかにし、光が電磁波であることを明らかにしたジェームズ・クラーク・マクスウェルの方程式に本格的に関心を持ち始めました。
「私はあえて、電界中で起こる過程についての別の方法を与えようと思うが、これは私がしばしば有用であると感じたものであり、数学的観点からはマクスウェルの理論と同等である」
トムソンの科学への最も重要な貢献
電子の発見 – 最初の素粒子
1834年、マイケル・ファラデーは、正または負に帯電した電極に引き寄せられる荷電粒子を表すために、イオンという言葉を作りました。 つまり、トムソンの時代には、原子が何らかの形で電荷を帯びていることや、原子が正または負の電荷を帯びたイオンの形で存在することがすでに知られていたのです。 例えば、食卓用の塩は、ナトリウムと塩素の原子がイオン化してできている
Na+。
Na+：プラスの電荷を1つ持つナトリウムイオン
Cl-：マイナスの電荷を1つ持つ塩化物イオン。
1891年、ジョージ・ジョンストン・ストーニーは、電荷の基本単位を表すために「電子」という言葉を作った。 1891年、ジョージ・ジョンストン・ストーニーは、電荷の基本単位を表すために「電子」という言葉を作ったが、彼は電子がそれ自体として存在するとは考えなかった。
原子はまだ不可分なものと考えられていました。
1897年、トムソンは40歳のとき、ブラウン管を使った有名な実験を行いました。
J.J.トムソンが使用したものと同様の陰極線管です。 中空のガラス管の中の空気を送り出して真空にします。 陰極では高電圧で電子が発生し、真空中を進み、先端のガラスに当たると緑の光を発する。 ここでは金属製の十字架が影になっていますが、これは電子が直線的に移動しており、金属の中を移動できないことを証明しています。
トムソンは、陰極線を通常の真空ではなく空気中を走らせたとき、電子が止まるまでの距離に驚きました。 これは、陰極線の中の粒子が、それまで科学者が原子と推定していたものよりも何倍も小さいことを示唆していた。
では、ブラウン管の粒子は原子よりも小さいのですね。 では、その質量は？
では、ブラウン管の粒子は原子よりも小さかったのですね。 –
ブラウン管粒子の質量を推定し、その電荷が正か負かを知るために、トムソンは電界や磁界でブラウン管を偏向させ、偏向の方向や軌道からのずれ具合を調べました。 トムソンは、偏向の大きさで粒子の質量を、偏向の方向で粒子の電荷を知ることができた。 また、粒子が標的に当たったときに発生する熱量を測定することで、質量を推定していました。
トムソンは雲室を使って、陰極線の粒子が水素イオンと同じ量（つまり1ユニット）の電荷を持っていることを証明しました。
これらの実験から、彼は3つの画期的な結論を導き出しました。
2300年前の古代ギリシャでは、デモクリトスが知性を駆使して原子の存在を推論していました。
1808年、ジョン・ダルトンは、デモクリトスの考えを復活させ、原子論を発表しました。
トムソンの時代には、原子は宇宙で最も小さな粒子であり、すべてのものを構成する基本的な要素であると科学者たちは確信していました。
そんな信念は、J.J.トムソンの実験によって、原子よりもはるかに小さな新たな基本粒子、電子の存在が証明されたことで崩れ去りました。
この信念は、J.J.トムソンの実験によって打ち砕かれました。
物理学者は、原子よりも小さな粒子である素粒子を研究する動機付けとなった。
物理学者は、原子よりも小さな粒子である素粒子を調査する動機を得ました。それ以来、物理学者は、物質を構成する素粒子を発見しようとしています。
多くの構成要素が発見されましたが、トムソンの電子は、それ以上分割することができない、真に基本的な粒子であると考えられています。 J.J.トムソンの陰極線管
J. 実験室でブラウン管を操作するJ.J.トムソン。 優れた理論家、優れた実験設計者、実験結果の解釈者であったトムソンですが、実験器具の扱いには定評がありました！
「陰極線は負の電気の電荷を持ち、あたかも負の電気を帯びているかのように静電力によって偏向され、この光線の経路に沿って移動する負の電気を帯びた物体に作用するのと同じように磁力によって作用されるので、これらは物質の粒子によって運ばれた負の電気の電荷であるという結論から逃れることはできない」
プラムプリンとしての原子
この結果に基づいて、トムソンは有名な（しかし間違った）プラムプリンの原子モデルを作りました。
質量分析計の発明
電子を発見したトムソンは、化学分析のための非常に重要な新しいツールである質量分析計の発明にも着手しました。
質量分析計は、簡単に言えばブラウン管に似ていますが、荷電粒子のビームは電子ではなく正イオンでできています。 これらのイオンは、電界や磁界によって直線経路から偏向されます。 偏向量は、イオンの質量（質量が小さいほど偏向される）と電荷（電荷が大きいほど偏向される）に依存する。
物質をイオン化して質量分析計にかけると、イオンの偏向量から物質に含まれる化学元素を推定することができる。
Every Hydrogen Atom have only one Electron
1907年、トムソンは様々な方法を用いて、すべての水素原子が1つの電子を持っていることを証明した。
安定した元素の同位体の発見
トムソンは電子を発見しましたが、陽子や中性子が発見されていなかったため、原子の基本的な理解を得るにはまだ長い道のりがありました。
トムソンは、研究生のフランシス・アストンがイオン化したネオンを磁界と電界の中で発射し、質量分析計を使って2つの異なる偏向を観測したことでこの発見をしました。
アストンは、この研究を続け、多数の安定同位体を発見し、すべての同位体の質量が水素原子の質量の整数倍であることを発見したことで、1922年にノーベル化学賞を受賞しました。
個人的な詳細と終わり
1890年、33歳のトムソンは、彼の研究室で働いていた若い物理学者、ローズ・エリザベス・パジェットと結婚した。 彼女は、ケンブリッジ大学の医学教授の娘だった。 2人の間には、1人の息子ジョージと1人の娘ジョーンがいた。
「謙虚」「控えめ」「静かなユーモア」という言葉は、トムソンの人柄を表すのに最適な言葉でしょう。
そんなトムソンですが、27歳のときに、マクスウェルが初めて務めたケンブリッジ大学の実験物理学のキャベンディッシュ教授に就任します。
トムソンは、自らが優れた発見をしただけでなく、多くの科学者たちに偉大な道を開いてきました。
トムソンは、自分自身が優れた発見をしただけでなく、他の多くの科学者にも偉大な道を開いた。トムソンの研究者の中には、チャールズ・T・R・ウィルソン、チャールズ・バークラ、アーネスト・ラザフォード、フランシス・アストン、オーエン・リチャードソン、ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ、ウィリアム・ローレンス・ブラッグ、マックス・ボーンなど、ノーベル賞を受賞した人が少なくない。
トムソンが40歳のとき、アーネスト・ラザフォードが彼の研究室にやってきた。 会った後、ラザフォードはトムソンについて次のように書いています。
「彼は会話がとても楽しく、全く化石のようではない。
トムソンがノーベル賞を受賞してから31年後、息子のジョージが受賞しました。 ジョージの1937年の受賞も、電子の研究によるもので、電子が波のように振る舞うことを証明したものでした。
「父と息子が、電子の一見矛盾した性質を最も顕著に証明したことは、魅力的な事実である：父は粒子としての性質を証明し、息子は波としての性質を証明した…トムソンは息子の成功を非常に誇りに思い、新しい結果を自分の古い信念に同化させようとした。”
マックス・ボーン1954年ノーベル物理学賞トムソンは1908年にナイトの称号を受け、サー・J・J・トムソンとなりました。
ガーデニングが趣味だったJ.
J.J.トムソンは、1940年8月30日、83歳で亡くなりました。 遺灰はウェストミンスター寺院の身廊に埋葬され、アイザック・ニュートン、ケルビン卿、チャールズ・ダーウィン、チャールズ・ライエル、そして友人であり研究員だったアーネスト・ラザフォードなどの科学界の偉人たちと一緒に埋葬されました。
Advertisementsこのページの著者。 The Doc
このページに掲載されている科学者の画像は、当サイトがデジタル処理してカラー化したものです。 © All rights reserved.Cite this page
次のMLA準拠の引用を使用してください：
"J. J. Thomson." Famous Scientists. famousscientists.org. 27 Jul. 2015. Web. <www.famousscientists.org/j-j-thomson/>.Published by FamousScientists.org
Further Reading
J. J. Thomson
A Treatise on the Motion of Vortex Ring
MacMillan and Co. London, 1883J. J. Thomson
Notes on Recent Researches in Electricity and Magnetism
Clarendon Press, 1893J. J. Thomson
On Bodies Smaller than AtomsPopular Science Monthly, August, 1901
J.
マックス・ボーン
Obituary Notice of Sir J. J. Thomson
Proceedings of the Physical Society, 53 iii, 1942.Abraham Pais
Niels Bohr’s Times: In Physics, Philosophy, and Polity
Clarendon Press, 1993Creative Commons Images
Cathode Ray Tube by Zátonyi Sándor, Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported.J.J.トムソン卿の追悼文
Proceeding of the Physical Society, 53 iii, 1942.
「父と息子が、電子の一見矛盾した性質を最も顕著に証明したことは、魅力的な事実である：父は粒子としての性質を証明し、息子は波としての性質を証明した…トムソンは息子の成功を非常に誇りに思い、新しい結果を自分の古い信念に同化させようとした。”