Открытие электрона (кратко)
В 1897 году Томпсон предположил, что одна из основных единиц в 1000 раз меньше атома, эта субатомная частица стала известна как электрон. Учёный обнаружил это, благодаря своим исследованиям о свойствах катодных лучей. Он оценил массу катодных лучей путем измерения тепла, выделяемого при попадании лучей теплового перехода, и сравнил ее с магнитным отклонением луча. Его эксперименты говорят не только о том, что катодные лучи в 1000 раз легче атома водорода, но и то, что их масса была одинаковой вне зависимости от типа атома. Ученый пришел к выводу, что лучи состоят из очень легких, отрицательно заряженных частиц, которые являются универсальным строительным материалом для атомов. Он назвал эти частицы “корпускулы”, но позже ученые предпочли название “электроны”, предложенное Джорджем Джонстоном Стони в 1891 году.
От электронов к ядрам
Начав работу в кавендишевской лаборатории с исследования рассеяния рентгеновских лучей, Джозеф Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц.
Важна была также роль Томсона в открытии фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии. Очень плодотворной оказалась и идея использования скрещенных полей для измерения отношений зарядов частиц к их массам. На этой идее основана работа масс-спектрографов, которые нашли широкое применение в физике ядра и, в частности, сыграли существенную роль для открытия изотопов (ядер, имеющих различные массы, но одинаковые заряды, чем определяется их химическая неразличимость). Отметим, что предсказание существования изотопов и экспериментальное обнаружение некоторых из них также было сделано Томсоном.
Джозеф Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков. Правда, он застал появление квантовой теории (становление которой происходило в значительной степени на его глазах и при непосредственном участии его молодых коллег), появление теории относительности и атомной и ядерной физики. Более того, его личное участие в том грандиозном пересмотре всего физического миропонимания, которое принесли первые десятилетия нового века, было несомненным и глубоким. Но он до конца дней сохранял веру в существование механического эфира, несмотря на успехи релятивистской теории, которую он воспринимал лишь как отражение некоторых математических свойств уравнений Максвелла. По отношению к квантовой теории он довольно долго оставался в положении скептического наблюдателя и изменил мнение о ней лишь после того, как его сын Джордж Паджет Томсон на опыте обнаружил волновые свойства у электронов (за что был удостоен в 1937 Нобелевской премии).
Томсону принадлежит колоссальная роль в формировании большой международной школы физиков. «Он не был блестящим лектором в прямом понимании этого слова, но его лекции впечатляли кристальной ясностью, с которой он давал объяснения, а также красотой и простотой лекционных демонстраций», — так писал о нем физик Макс Борн, который… сам был его учеником в 1907 и на своем примере почувствовал все обаяние его личности».
В 1918 году Джозеф Томсон вышел в Кавендише в отставку, передав лабораторию Резерфорду, и возглавил Тринити-колледж (колледж Святой Троицы).
Примечания
- ↑
- J.J. Thomson. Applications of dynamics to physics and chemistry.. — Macmillan, 1888.
- J.J. Thomson. XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — Т. 7, № 39. — С. 237-265.
- J.J. Thomson. Conduction of Electricity Through Metals // Proceedings of the Physical Society of London. — 1914. — Т. 27, № 1. — С. 527.
- J.J. Thomson. Recent Researches in Electricity and Magnetism. — Oxford: Clarendon, 1893.
Примечания
- ↑
- J.J. Thomson. Applications of dynamics to physics and chemistry.. — Macmillan, 1888.
- J.J. Thomson. XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — Т. 7, № 39. — С. 237-265.
- J.J. Thomson. Conduction of Electricity Through Metals // Proceedings of the Physical Society of London. — 1914. — Т. 27, № 1. — С. 527.
- J.J. Thomson. Recent Researches in Electricity and Magnetism. — Oxford: Clarendon, 1893.
Примечания
- ↑
- J.J. Thomson. Applications of dynamics to physics and chemistry.. — Macmillan, 1888.
- J.J. Thomson. XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — Т. 7, № 39. — С. 237-265.
- J.J. Thomson. Conduction of Electricity Through Metals // Proceedings of the Physical Society of London. — 1914. — Т. 27, № 1. — С. 527.
- J.J. Thomson. Recent Researches in Electricity and Magnetism. — Oxford: Clarendon, 1893.
Биография
Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в Читем-Хилле вблизи Манчестера в семье Джозефа Джеймса Томсона и его жены, урожденной Эммы Свинделлт. Его отец был коренным шотландцем и держал семейный бизнес по изданию и продаже книг в Манчестере. По настоянию отца он поступил учеником в инженерную фирму, но ввиду сложностей с поиском работы был временно отправлен в Оуэнс-колледж, Манчестер. Томсон относился к этому более-менее случайному стечению обстоятельств как к поворотной точке в своей жизни. Во время обучения в Оуэнс-колледже он оказался под влиянием физика Бальфура Стюарта, инженера Осборна Рейнольдса и математика Томаса Баркера.
Его математические и научные способности вскоре были замечены, он был вовлечён Бальфуром Стюартом в различные физические исследования и в конечном счете опубликовал небольшую статью «Contact electricity of insulators» в Royal Society’s Proceedings. Во время обучения в Оуэнс-коллежде он познакомился с Артуром Шустером и Джоном Генри Пойнтингом, дружба с которыми продолжалась всю жизнь.
По совету Баркера он оставил мысль об инженерной карьере и поступил в Тринити-колледж в Кембридже в октябре 1876 года, где в 1880 году получил степень бакалавра. После этого момента его жизнь проходила почти полностью в Кембридже, за исключением нескольких коротких поездок в Америку. Его математическое образование в Кембридже в основном проходило под руководством Е. Дж. Рута. Следует отметить, что Томсон ни тогда, ни в последующее время не попал под личное влияние Джеймса Клерка Максвелла.
После получения степени бакалавра он стал сотрудником Тринити-колледжа и начал свои исследования в области математической и экспериментальной физики. Его ранняя математическая работа состояла в развитии электромагнитной теории и приложения динамических методов Лагранжа к проблемам математики и физики. Эти исследования, проходившие под руководством лорда Рэлея, были впоследствии обобщены в книге «Application of Dynamics to Physics and Chemistry», однако полученные им в этот период результаты не выдержали проверку временем.
После выхода лорда Релея на пенсию с должности Кавендишского профессора в Кембридже в конце 1884 года Томсон был выбран ему на замену. Несмотря на молодость (Томсону в это время было около 27 лет), он проявил себя в качестве умелого руководителя Кавендишской лаборатории. Сам он был средним экспериментатором и имел относительно слабые знания в области механических процессов, но, тем не менее, его выдающиеся способности и природная изобретательность сильно перевесили эти недостатки.
В 1890 году он женился на Розе Пейджт, дочери сэра Джорджа Пэйджта. Его детьми от этого брака были Джордж Пэйджт Томсон (1892—1975), впоследствии профессор физики и лауреат Нобелевской премии по физике 1937 года за открытие дифракции электронов на кристаллах, и мисс Джоан Томсон.
Следующие десятилетия работы в качестве руководителя Кавендишской лаборатории в Кембридже являлись наиболее результативными в его жизни. Так, именно к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он был удостоен Нобелевской премии по физике в 1906 году.
Ближе к концу войны, в 1918 году, со смертью доктора Г. Монтегю Батлера, освободилась должность главы Тринити-колледжа в Кембридже, которая была предложена Томсону Ллойдом Джорджем. В то же время он сохранил Кавендишское профессорство до конца войны, когда его на этом посту сменил его ученик Резерфорд
Он всё же продолжил работу в Кавендишской лаборатории в течение ещё нескольких лет, но дальнейшие исследования оказались несравнимы по важности с довоенными.
В —1916 годах Джозеф Джон Томсон являлся президентом Лондонского общества физиков.
В 1915 году он стал президентом Лондонского королевского общества, сменив сэра Уильяма Крукса, и находился на этом посту до 1920 года. По воспоминаниям современников, на встречах общества он всегда был готов к обсуждению, даже если статья не относилась к области его научных интересов, что исключало возможность любого поверхностного рассмотрения. Готовность к диалогу и личному стимулированию, вкупе с авторитетностью в научной области, делала его ценным ученым и источником вдохновения для многих исследователей.
С по 1923 год Дж. Дж. Томсон занимал пост президента Института физики.
Умер Томсон в Кембридже 30 августа 1940 года в возрасте 83 лет.
Фильмы
Кинодебют состоялся в молодости. Брутальная внешность, характерное лицо и внушительный рост (1,91 м) обусловили выбор персонажей. В первом фильме — культовом «Терминаторе» с Арнольдом Шварценеггером — Брайан сыграл одного из двух уличных панков. Компанию ему составил Билл Пэкстон. В том же 1984-м его позвали в драму «Фатальное видение». Фильм получил «Эмми», а артисты — порцию славы.
Спустя 2 года актеру повезло попасть на съемочную площадку боевика «Кобра», где он встретился с Сильвестром Сталлоне и Бригиттой Нильсен. Томпсону доверили перевоплотиться в маньяка-убийцу, с чем он блестяще справился. Роль принесла новичку славу, хотя и со знаком минус: Брайану вручили две антипремии «Золотая малина». Но имя новой звезды теперь было на слуху, режиссеры разглядели колоритного американца и засыпали предложениями.
Творческая биография Брайана Томпсона стремительно набирала обороты. Роли в сериале «Звездный путь», боевике «Взвод коммандос» и комедийной ленте «Голая правда», вышедшей в 1993-м, превратили актера в голливудскую звезду. Фильмография пополняется фантастическими проектами — продолжениями вселенной «Звездного пути».
Брайан Томпсон и Арнольд Шварценеггер / Кадр из фильма “Терминатор”
Один из наиболее рейтинговых фильмов, в которых зрители увидели Томпсона в 1990-х, — боевик Шелдона Петтича «Самоволка». На съемках картины Брайан встретился с Жан-Клодом Ван Даммом и Харрисоном Пейджем. Дополнили звездный перечень ленты «Крутой Уокер: правосудие по-техасски», «Секретные материалы» и «Баффи — истребительница вампиров».
В 2000-х Томпсон не потерялся. Поклонники узнали его в героях фэнтези «Язон и аргонавты», комедии «Приключения Джо Грязнули», сериалов «Морская полиция: спецотдел», «Блудливая Калифорния» и «Гавайи 5.0».
В 2017-м голливудский актер снялся в фантастической драме «Орвилл» в компании Сета Макфарлейна, Скотта Граймса и Эдрианн Палики. В следующем году его узнали в капитане Джерарде в процедурной драме «9-1-1».
В 55 лет Томпсон попробовал силы в качестве режиссера, сняв комедийный боевик «Удержимые» по авторскому сценарию.
Книги Хантера
За свою жизнь Томпсон опубликовал множество рассказов, начав с работы в The Time, откуда его выгнали за неподчинение. Эта причина увольнения часто всплывала и позже. Когда писатель переехал в Пуэрто-Рико, ему пришлось тяжело, так как спортивный журнал, где он собирался работать, закрылся. В то время Хантер написал рассказы «Принц Медуза» и «Ромовый дневник». В 1965 году был опубликован рассказ «Ангелы ада». К слову, с клубом байкеров, о котором идет речь в истории, журналист путешествовал около года, пока они не избили его до полусмерти. Так толком и не прояснилось, в чем была причина их ссоры. Но зная характер Хантера, удивляться не приходится.
Еще один потрясающий роман получил в русском переводе название «Проклятие Гавайев», где писатель описывает очередной свой трип по островам. Некоторые считают историю продолжением путешествия в Лас-Вегасе. Примечательно, что для обеих книг делал иллюстрации художник и хороший друг журналиста Ральф Стедман.
Позже журналист написал, что прошлый Хантер Томпсон умер и уже ничего не будет по-прежнему. Мысли о суициде появились в предисловии к роману «Великая охота на Акул». Одним из последних известных произведений стал вышедший в 2003 году рассказ «Царство Страха» и «Наших бьют! Кровавый спорт, американская доктрина и водоворот тупости» 2004 года.
Книги Хантера Томпсона
1 of 7
Значение для науки
Модель атома Томсона послужила толчком для стремительного развития ядерной физики. Концепция «сливового пудинга» с одним электроном использовалась физиком Артуром Эрихом Хаасом в 1910 году для оценки численного значения постоянной Планка и боровского радиуса атомов водорода. Работа Хааса была опубликована за три года до выводов Нильса Бора. Следует отметить, что боровская модель обеспечивает достаточно точные прогнозы для атомных и ионных систем, имеющих один эффективный электрон.
Кроме того, теория «пудинга» позволяет определить оптимальное распределение равных точечных зарядов на единичной сфере, называемой проблемой Томсона. Кстати, физическая система, воплощенная в проблеме Томсона, является частным случаем одной из восемнадцати нерешенных математических задач, предложенных математиком Стивом Смейлом – «Распределение точек на двумерной сфере».
Проблема Томсона является естественным следствием модели «пучкового пудинга» в отсутствие равномерного положительного фонового заряда. Электростатическое взаимодействие электронов, ограниченных сферическими квантовыми точками, также аналогично их обработке в атомной модели Томсона. В этой классической задаче квантовая точка моделируется как простая диэлектрическая сфера (вместо однородной, положительно заряженной сферы, как в модели «пучкового пудинга»), в которой находятся свободные или избыточные электроны.
Научный затворник? Это не про Томсона
Выдающийся физик своего времени отнюдь не был научным затворником, как часто думают про гениальных ученых. Он был административным руководителем очень успешной Кавендишской лаборатории. Именно там учёный познакомился с Роз Элизабет Пэджет, на которой и женился в 1890 году.
Томсон не только управлял рядом исследовательских проектов, он также финансировал реконструкцию лабораторных помещений с небольшой поддержкой от университета и колледжей. Это был талантливый педагог. Люди, которых он собирал вокруг себя с 1895 по 1914 годы, приезжали во всех сторон света. Некоторые из них под его началом получили семь Нобелевских премий.
Эрнест Резерфордструктуры атома.
Томсон очень серьезно относился к своей преподавательской деятельности: он регулярно читал лекции в начальных классах утром и преподавал науку аспирантам днем. Учёный считал учение полезным для исследователя, поскольку оно требует периодически пересматривать базовые идеи и одновременно оставлять место для возможности открытия чего-то нового, на что раньше никто не обращал внимания. История открытия электрона это наглядно подтверждает. Большую часть своей научной деятельности Томпсон посвятил изучению прохождения электрически заряженных частиц тока сквозь разреженные газы и вакуумное пространство. Он занимался исследованием катодных и рентгеновских лучей и внес огромный вклад в изучение физики атома. Кроме этого, Томсоном была также разработана теория движения электронов в магнитном и электрическом полях.
Дилемма несоответствия
По мере накопления экспериментальных данных все отчетливее наблюдалось несоответствие данной теории. Томсон безуспешно пытался переделать свою модель, чтобы объяснить некоторые из основных спектральных линий, экспериментально выявленных для нескольких элементов.
В 1909 году Ганс Гейгер и Эрнест Марсден под кураторством профессора Эрнеста Резерфорда провели эксперименты с тонким листом золота, рассеивая альфа-частицы на золотой фольге. Данные оказались отличными от ожидаемых. В 1911 году Резерфорд после долгих размышлений опубликовал собственную концепцию, названную впоследствии моделью атома Резерфорда. Он предположил наличие очень маленького ядра с сильнейшим положительным зарядом в центре атомов золота, достаточного для удержания порядка ста электронов.
Математик приходит в физику
Джозеф Томсон родился в семье продавца книг. Отец хотел, чтобы он стал инженером, и когда Джозеф достиг четырнадцати лет, его отдали учиться в колледж Оуэна (впоследствии Манчестерский университет).
До середины 19 века в университетах не существовало исследовательских лабораторий и профессора, проводившие опыты, делали это у себя дома. Первая физическая лаборатория была открыта в Кембридже в 1874 г. Ее возглавил Джеймс Клерк Максвелл, а после его ранней кончины — лорд Рэлей, вышедший в отставку в 1884. И тогда неожиданно для многих Томсон, двадцативосьмилетний математик, только начинавший экспериментальные исследования, был избран кавендишевским профессором и директором лаборатории. Будущее показало, что этот выбор оказался весьма удачным.
Цитаты Хантера Томпсона
Многие культовые фразы, ставшие известными за счет экранизации книг писателя, вышли в народ. Хантер никогда не стеснялся в выражениях, он то ли говорил правду, то ли это был сарказм или выдумка. Точно уже никогда не узнать.
«В обществе, где виновен каждый, единственное преступление — быть пойманным. В мире воров единственный смертный грех — глупость», — Томсон всегда был недоволен обществом, американской мечтой и существующими идеалами. Он считал, что жизнь надо прожить без остатка.
«Жизнь не должна быть путешествием к могиле с намерением благополучно сохранить красивое тело. Лучше проскользнуть через облако дыма, полностью израсходоваться, полностью измотаться и громко провозгласить: «Вау! Вот это поездка!».
Отвечая на вечные вопросы о своем пристрастии к запрещенным препаратам, журналист заявлял:
«Я ненавижу рекламировать наркотики, алкоголь, насилие или безумие для всех, но они всегда работали для меня», — Хантер еще в молодости пытался получить должность шерифа округа Питкин в штате Колорадо и декриминализовать наркотики, о чем написал в рассказе «Власть фриков в горах».
Знаменитая фраза, обращенная к другу Оскару в рассказе «Страх и ненависть в Лас-Вегасе», спустя годы идеально описывает самого писателя:
Не будем упоминать самое известное изречение про пакеты травы и кучу других препаратов, оно и так известно практически всем. Историю легендарного писателя хочется завершить душевной (хотя бы по представлению Хантера) фразой, ведь когда-то его назвали неудавшимся романистом.
«Возможно, нет никакого рая. Или все это — пустая болтовня, продукт безумного воображения ленивой пьяной деревенщины, чье сердце переполнено ненавистью, но кто нашёл способ жить там, где дует настоящий ветер: где можно поздно ложиться спать, веселиться, пить виски, гонять по пустым улицам и не иметь в голове ничего, кроме желания влюбиться и не быть арестованным».
Великий физик и ученый должен был стать инженером
Томсон Джозеф Джон, великий ученый, физик и наставник, должен был стать инженером, так считал его отец, однако в то время у семьи не было средств на оплату обучения. Вместо этого молодой Томсон посещал колледж в Мачестере, а затем и в Кембридже. В 1884 году он был назначен на престижную должность профессора экспериментальной физики в Кембридже, хотя сам он лично проводил очень мало экспериментальных работ. Он открыл в себе талант к разработке аппаратуры и диагностировании связанных с этим проблем
Томсон Джозеф Джон был хорошим преподавателем, вдохновлял своих учеников и уделял значительное внимание широкой проблеме развития науки преподавания в университете и средней школе
Поиск ответа
После серии экспериментов выяснилось, что электроны отрицательно заряжены, а между тем уже было известно, что атомы имеют нейтральный заряд. Томсон разумно предположил, что в атоме должен быть некий источник положительного заряда для компенсации отрицательного заряда электронов.
Английский физик представил три возможных механизма взаимодействия внутри частиц.
- В первой модели атома Томсона каждый отрицательно заряженный электрон прилипал к положительно заряженной частице, которая следовала за ним всюду внутри атома.
- Во второй модели электроны вращаются вокруг центральной области положительного заряда, имеющего такую же величину, что и все электроны.
- В третьей модели электроны занимали область пространства, которая сама была однородным положительным зарядом (часто рассматриваемым как «суп» или «облако» положительного заряда).
Ученый выбрал третий вариант – наиболее вероятную структуру атомов.
Административная и педагогическая деятельность
Во время работы в качестве Кавендишского профессора — руководителя Кавендишской физической лаборатории в Кембридже, Томсон достиг успеха в создании уникальной экспериментальной школы. В это время до 40 исследователей одновременно работали под его руководством, включая достаточно часто профессоров американских и континентальных университетов. Как следствие, большое количество профессорских должностей в области физики в англоговорящих странах было в разное время занято его бывшими учениками.
Этому в большой степени содействовало то обстоятельство, что в период пребывания Томсона на должности Кавендишского профессора в Кембриджском университете появилась схема, которая позволяла выпускникам других университетов получить диплом Кембриджа путём исследовательской работы на протяжении двух лет. Эта схема не была разработана со специальным уклоном в науку в целом или в физику в частности, но особенно востребованной оказалась в стенах Кавендишской лаборатории. Публикации Томсона и, в частности, его «Recent researches in electricity and magnetism», опубликованные в 1893 году как дополнение к трактату Джеймса Клерка Максвелла, широко разнесли его славу, что привлекло много талантливых ученых из колониальных и иностранных университетов в Кавендишскую лабораторию. Среди них были Э. Резерфорд из Веллингтон-колледжа, Новая Зеландия, Дж. С. Таунсенд из Тринити-колледжа, Дублин, Дж. А. МакКлеллаланд из Университета Дублина, Дж. К. МакЛеннан из Торонто, П. Ланжевен из Парижа и несколько других. К тому же среди них были К. Т. Р. Вильсон, У. К. Д. Ветам (впоследствии Дампир) и другие, стажирующиеся в Кембридже.
Во время Первой мировой войны, в 1914—1918 годах, Томсон был в основном занят консультативной и комиссионной работой в Совете по изобретениям и исследованиям под руководством лорда Фишера, в котором он состоял. Эта работа и возможности, которые она давала ему для контакта с более широким, чем ранее, кругом коллег, была ему очень интересна.
Работу по привлечению новых исследователей он продолжил и на посту главы Тринити-колледжа, где и работал до конца жизни.
Модель атома
В том же 1897, когда было зарегистрировано открытие электрона, Д. Томсон обратился к проблеме атома. Придя к убеждению, что, вопреки своему названию, атом не является неделимым, Томсон предложил модель его устройства. По этой модели атом выступал в виде положительно заряженной «капли», внутри которой «плавали» маленькие отрицательно заряженные шарики — электроны. Под действием кулоновских сил они располагались вблизи центра атома в виде цепочек определенных конфигураций (в которых можно было даже усмотреть нечто напоминающее упорядоченность в периодической таблице Менделеева). Если какой-то толчок отклонял электроны от положений равновесия, начинались колебания (связь со спектрами!) и кулоновские силы стремились восстановить исходное равновесие. Хотя опыты, проведенные впоследствии в той же кавендишевской лаборатории преемником Томсона, Эрнестом Резерфордом заставили отказаться от этой модели, она сыграла немалую роль в формировании представлений о строении материи.
Примечания
- ↑
- J.J. Thomson. Applications of dynamics to physics and chemistry.. — Macmillan, 1888.
- J.J. Thomson. XXIV. On the structure of the atom: an investigation of the stability and periods of oscillation of a number of corpuscles arranged at equal intervals around the circumference of a circle; with application of the results to the theory of atomic structure // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. — Т. 7, № 39. — С. 237-265.
- J.J. Thomson. Conduction of Electricity Through Metals // Proceedings of the Physical Society of London. — 1914. — Т. 27, № 1. — С. 527.
- J.J. Thomson. Recent Researches in Electricity and Magnetism. — Oxford: Clarendon, 1893.
