约瑟夫·约翰·汤姆逊

Joseph John Thomson于1856年12月18日出生于英格兰兰开夏郡，曼彻斯特的Cheetham Hill。他的母亲Emma Swindells来自当地的一个纺织世家。他的父亲Joseph James Thomson经营一家由曾祖父创办的古董书店。他有一个比他小两岁的弟弟，Frederick Vernon Thomson。 J. J. Thomson是一个保守而虔诚的英国国教徒.^[1][2][3]

他的早期教育是在小型私立学校，在那里他表现出了杰出的天赋和对科学的兴趣。1870年，他在14岁的时候被曼彻斯特（现曼彻斯特大学）的欧文斯学院录取。他的父母原计划让他去机车制造商--Sharp-Stewart & Co公司当见习工程师，但在他父亲于1873年去世后，这些计划被取消了.

1876年，他转到剑桥大学三一学院。1880年，他获得了数学文学学士学位（剑桥优等考试的榜眼^[4] 和史密斯奖的第二名)。^[5] 1881年，他申请并成为了三一学院的一员。^[6] Thomson于1883年获得文学硕士学位(亚当斯奖)。^[5]

1890年，Thomson娶了Rose Elisabeth Paget, 她是Thomson曾经的一个学生，^[7]George Edward Paget爵士，KCB的女儿，她是一名医生，以及在小圣玛丽教堂的剑桥大学医学钦定讲座教授。 他们有一个儿子George Paget Thomson，还有一个女儿Joan Paget Thomson。

3.1 总概

1884年12月22日，Thomson被任命为剑桥大学卡文迪什物理学教授。^[8] 鉴于Osborne Reynolds or Richard Glazebrook等其他候选人的年龄较大且在实验室的工作方面更有经验，所以对Thomson的这项任命让大家都很吃惊。Thomson以其数学家的工作而闻名，在这个领域里他被认为是一位杰出的天才。^[8]

他在1906年被授予诺贝尔奖，“以表彰他在气体传导的理论和实验研究方面的巨大成就。” 1908年，他被授予爵士爵位，1912年被授予荣誉勋章。1914年，他在牛津大学举办了关于“原子论”的Romanes讲座。1918年，他成为剑桥三一学院的硕士，直到去世。Joseph John Thomson于1940年8月30日去世；他的骨灰安息在Westminster大教堂, 靠近Isaac Newton爵士和他曾经的学生Ernest Rutherford的坟墓。^[9]

Thomson对现代科学的最大贡献之一就是他是一个极具天赋的老师。Ernest Rutherford是他的学生之一，后来接替他成为了卡文迪许的物理教授. 除了Thmoson他自己, 他的研究助理中的其中六位 (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson and Charles Thomson Rees Wilson) 获得了诺贝尔物理学奖, 还有两位 (Francis William Aston and Ernest Rutherford)获得了诺贝尔化学奖。此外，由于证明了电子的波状特性，Thomson的儿子(George Paget Thomson)获得1937年诺贝尔物理学奖。

3.2 早期著作

Thomson一篇获奖的大师之作，《论涡旋环的运动》，显示出了他早期对于原子结构的兴趣。^[10] 在这篇文章里, Thomson用数学方法描述了 William Thomson原子涡旋理论的运动。^[8]

Thomson发表了许多涉及电磁学的数学和实验问题的论文。他研究了James Clerk Maxwell的电磁理论，引入带电粒子的电磁质量的概念，并证明了运动的带电体的质量会明显增加。^[8]

许多他对于化学过程的数学建模工作可以被认为是早期的计算化学。^[8] 在进一步的工作：1888年出版的《动力学在物理和化学中的应用》一书中，Thomson从数学和理论的角度论述了能量的转化，认为所有的能量都可能是动力学的。^[8] 他的下一本书《电磁学研究近况》（1893年），是建立在Maxwell关于电磁学的论述之上的，有时还被称为“Maxwell的第三卷”。^[10] 在书中，汤姆森强调了物理方法和实验，并囊括了大量的数据和仪器图表，包括一个电流通过气体的传导数据。^[8] 他的第三本书《电磁数学理论的基本原理》（1895）^[10] 是一本内容广泛、可读性强的入门书，并且作为教科书获得了相当大的欢迎。^[8]

Thomson在1896年访问普林斯顿大学时所作的四次讲座，后来被出版为《气体放电》（1897）。1904年Thomson还在耶鲁大学作了六次演讲。^[10]

3.3 电子的发现

一些科学家，如William Prout and Norman Lockyer，曾提出原子是由一个更基本的单位构成的，但他们设想这个单位是最小的原子氢的大小。Thomson在1897年首次提出这个基本单位比原子小1000倍以上，这表明亚原子粒子的存在（现在被称为电子）。Thomson通过对阴极射线性质的研究发现了这一点。1897年4月30日，Thomson发现阴极射线(当时被称为勒纳德射线)在空气中的传播距离比原子大小的粒子要远得多，于是他提出了这个设想。^[11]他通过测量阴极射线击中热结点时产生的热量，并将其与射线的磁偏转进行比较，从而估算出阴极射线的质量。他的实验表明，阴极射线不仅比氢原子轻1000多倍，而且无论阴极射线来自哪种原子，它们的质量都是相同的。他的结论是，这些射线由非常轻的带负电荷的粒子组成，而这些粒子是原子的普遍组成部分。他把这些粒子称为“微粒”，但后来科学家们更喜欢George Johnstone Stoney在1891年提出的电子这个名字，那时汤姆逊还没有真正发现电子。^[12]

1897年4月，Thomson只有早期发现的一些迹象表明阴极射线可以被电偏转(之前的研究人员，如Heinrich Hertz，认为阴极射线不可能被电偏转)。在Thomson宣布这个微粒的存在的一个月后，他发现，如果把放电管排空到一个非常低的压力下，他可以通过电场使射线偏转。通过比较阴极射线束在电场和磁场作用下的偏转，他得到了更可靠的质量电荷比测量值，证实了他之前的估量。^[13]这成为测量电子荷质比的经典方法。 (直到1909年Robert A. Millikan的滴油实验，电荷自身才被测量出来)

Thomson 认为这些微粒来自于阴极射线管中微量气体的原子。他由此得出结论，原子是可以被分割的，微粒是它们的组成部分。 1904年，汤姆森提出了一个原子模型，假设它是一个由正电荷构成的球体，其中静电力决定了微粒的位置。^[8] 为了解释原子的整体中性电荷，他提出微粒分布在均匀的正电荷海洋中。在这个“李子布丁”模型中，电子被视为像李子布丁中的李子一样嵌入正电荷中（尽管在Thomson模型中，它们不是静止的，而是快速地绕轨道运行）。^[14][15]

3.4 同位素与质谱分析

在1912年，作为他对正电荷粒子流（当时称作极隧射线）的组成的研究的一部分，Thomson和他的研究助理F. W. Aston通过磁场和电场引导了一股氖离子，并通过在其路径上放置一个照相板来测量其偏转。^[16] 他们在照相板上观察到有两束光（见右图），这表明有两种不同的偏折抛物线，并得出结论，氖是由两种不同原子质量的原子（氖-20和氖-22）组成的，也就是说是由两种同位素组成的。^[16][17] 这是稳定元素存在同位素的第一个证据；Frederick Soddy先前曾提出同位素的存在来解释某些放射性元素的衰变。

J. J. Thomson通过质量分离氖同位素是质谱分析的第一个例子，后来被F. W. Aston和A. J. Dempster改进并发展成一种通用方法。^[8]

3.5 阴极射线实验

早些时候，物理学家们争论，阴极射线是像光一样的非物质，或者，引用Thomson的观点，是“实际上完全是物质，并且...标记了带负电的物质粒子的路径”。^[13] 以太假说是含糊的，^[13] 但粒子假说是明确的，使得Thomson可以去检验。

磁偏转

Thomson首先研究了阴极射线的磁偏转。阴极射线在仪器左侧的侧管中产生，并通过阳极进入主钟形罩，在那里它们被磁铁偏转。Thomson通过玻璃罐中正方形屏幕上的荧光探测到它们的路径。他发现，无论阳极的材料是什么，瓶中的气体是什么，射线的偏转都是相同的，这表明，无论射线的来源是什么，它们的形式都是相同的.^[18]

电荷

虽然以太理论的支持者接受了在Crookes管中产生负电荷粒子的可能性，但他们认为负电荷只是副产品，阴极射线本身是非物质的。Thomson开始研究他是否能把电荷从射线中分离出来。

Thomson在阴极射线的直射路径外构造了一个带有静电计的克鲁克斯管。Thomson可以通过观察射线击中管子表面时产生的磷光斑来追踪射线的路径。Thomson观察到，静电计只有在用磁铁使阴极射线偏转时才会记录电荷。他得出结论，负电荷和射线在本质上是一样的。^[11]

电偏转

在1897年的5月到六月，Thomson研究了这些射线是否会被电场偏转。^[16] 以前的实验者没有观察到这一点，但汤姆森认为他们的实验是有缺陷的，因为他们的管子含有太多的气体。

Thomson构建了一个具有更好真空度的Crookes管。在管子的开头是阴极，射线从阴极射出。光线被两个金属缝隙锐化成一束，其中第一个缝隙兼作阳极，第二个缝隙接地。然后，光束在两块平行的铝板之间通过，当它们连接到一块电池时，两块铝板之间会产生电场。管子的末端是一个大球体，在那里光束会撞击玻璃，形成一个发光斑。Thomson在这个球体的表面粘贴了一个刻度来测量光束的偏转。注意，任何电子束都会与Crookes管内的一些残余气体原子碰撞，从而使它们电离并在管内产生电子和离子（空间电荷）; 在以前的实验中，这种空间电荷屏蔽了外加电场。然而，在Thomson的Crookes管中，残留原子的密度非常低，以至于电子和离子的空间电荷不足以电屏蔽外部施加的电场，这使得Thomson能够成功地观察到电偏转。

当上极板连接到电池的负极，下极板连接到电池的正极时，发光斑向下移动，当极性反转时，发光斑向上移动。

质荷比测量

在他的经典实验中，Thomson通过测量阴极射线受磁场偏转的程度，并将其与电偏转进行比较，来测量阴极射线的质量电荷比。 他使用的仪器和之前的实验一样，但是把放电管放在一个大型电磁铁的两极之间了。他发现其质量电荷比比氢离子（H+）低一千倍以上，这表明这些粒子要么非常轻，要么带电量非常高。^[13] 值得注意的是，来自每个阴极的射线产生相同的质量电荷比。这与阳极射线（现在已知由阳极发射的正离子产生）形成对比，在阳极射线中，质量电荷比因阳极而异。汤姆森本人对他的研究成果仍持批评态度，他在诺贝尔奖获奖感言中提到的是“微粒”而不是“电子”。

汤姆逊的计算可以总结如下(注意，我们在这里重现了汤姆逊的原始符号，用F代替E表示电场，用H代替B表示磁场):

电偏转由下式给出：   ，其中Θ是角电偏转，F是施加的电场强度，e是阴极射线粒子的电荷，l是电板的长度，m是阴极射线粒子的质量，v是阴极射线粒子的速度。磁偏转由下式给出：   ，其中φ是角度磁偏转，H是施加的磁场强度。

磁场会被变化，直到磁偏转和电偏转相同，即当   。这可以简化为   . 单独测量电偏转以得到Θ，并且已知H，F和l，因此可以计算m / e。

结论

当阴极射线带着负电荷，被静电力偏转，好像它们本身就是负电荷一样，被磁力作用，就像这个力作用在沿着这些射线运动的负电荷物体上一样，我认为它们是由物质粒子携带的负电荷。

——J. J. Thomson ^[13]

至于这些粒子的来源，Thomson认为它们来自阴极附近的气体分子。

如果，在阴极附近非常强烈的电场中，气体分子被解离并被分裂，而不是分解成普通的化学原子，而是分裂成这些原始原子，为简洁起见，我们将其称为小体; 如果这些微粒充电并通过电场从阴极投射，它们的行为就会和阴极射线完全一样。

——J. J. Thomson ^[19]

Thomson认为原子是由这些在正电荷海洋中运行的微粒组成的，这就是他的李子布丁模型。后来，当他的学生Ernest Rutherford证明正电荷集中在原子核中时，这个模型被证明是不正确的。

3.6 其他成就

1905年，Thomson发现了钾的天然放射性.^[20]

1906年，Thomson证明氢原子每个只有一个电子。以前的理论允许原子内含有不同数量的电子。^[21][22]

3.7 奖项和荣誉

Thomson于1884年当选为 皇家学会会员 (FRS)^[23][23]并且被任命为剑桥大学，卡文迪许实验室的实验物理学的卡文迪许教授。^[8] Thomson在其职业生涯中赢得了无数奖项和荣誉，包括：

• 亚当斯奖 (1882)
• 皇家奖章 (1894)
• 伦敦皇家协会休斯奖 (1902)
• 霍奇金斯奖章 (1902)
• 诺贝尔物理学奖 (1906)
• Elliott Cresson Medal (1910)
• 科普利奖章 (1914)
• 富兰克林奖章 (1922)

汤姆森于1884年6月12日当选为皇家协会会员^[23]，并于1915年至1920年担任皇家学会会长。

遗赠荣誉

1991年，为了纪念他，thomson(符号:Th)被提议作为质谱中测量质荷比的单位。^[24]

J J Thomson大道位于剑桥大学西剑桥校区，以Thomson的名字命名。^[25]

1927年11月，J. J. Thomson在剑桥 莱斯学校开设了以他的名字命名的汤姆森大楼。^[26]