Class 4/7 MST: เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน(Sir Joseph John Thomson)

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน

รูปภาพของเซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน

เซอร์ โจเซฟ จอห์น ทอมสัน

ทอมสันเกิดในวันที 18 ธันวาคม 1856 ที่ Manchester ประเทศอังกฤษ ทอมสันเรียนจบในระดับปริญญาตรีจาก Trinity Collage ใน Cambridge University ในปี 1883

รูปวัยเด็กของทอมสัน

ทอมสันได้ทำงานเป็นผู้บรรยายและนักวิจัยที่ Canvendish Laboratory ของ Cambridge University จนได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ที่ Canvendish Laboratory ทอมสันนับเป็นคนที่สามที่ได้ดำรงตำแหน่งศาสตราจารย์ของที่นี่ ต่อจาก James Clerk Maxwell (ผู้ก่อตั้ง) และ Lord Rayleigh

ทอมสันแต่งงานกับ Rose Elizabeth Paget ในวันที่ 22 มกราคม 1890 Rose Elizabeth Paget เป็นหนึ่งในนักวิจัยที่ Canvendish Laboratory เขาทั้งสองได้มีลูกชายหนึ่งคนคือ George Paget Thomson และลูกสาวอีกหนึ่งคนชื่อ Joan Paget Thomsom

Rose Elizabeth Paget

ในเริ่มแรกทอมสันได้ทำวิจัยเกี่ยวกับสภาพนำไฟฟ้าผ่านก๊าซ ทำให้ทอมสันมีผลงานตีพิมพ์มากมาย และทอมสันก็เคยเดินทางไปบรรยายงานวิจัยของเขาที่ Princeton University ประเทศอเมริกาด้วย งานวิจัยเรื่องการนำไฟฟ้าในก๊าซนี้นำเขาไปสู่การค้นพบที่สำคัญยิ่งในวงการ วิทยาศาสตร์นั้นคือการค้นพบอิเล็กตรอน

ทอมสันได้รับรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 1906 เพื่อเป็นเกียรติแก่ทอมสันที่ได้ทำงานทั้งในส่วนทฤษฎีและการทดลองเกี่ยวกับการนำไฟฟ้าในก๊าซ

ทอมสันเสียชีวิตในวันที่ 30 สิงหาคม ปี 1940 ตอนอายุ 83 ปี

แบบจำลองอะตอม และการค้นพบอิเล็กตรอน

แบบจำลองสสารเริ่มมีตั้งแต่เมื่อประมาณ 400 ปีก่อนคริสตศักราช มีนักปราชญ์ชื่อเดโมคริตุสได้เสนอว่าหน่วยที่เล็กที่สุดของสสารเรียกว่าอะตอม รูปร่างของอะตอมจะแตกต่างกัน และรูปร่างก็จะกำหนดคุณสมบัติของอะตอม เมื่อประมาณปี1800 แบบจำลองถัดมาที่นำเสนอโดย John Dalton คือแบบจำลองอะตอมที่ไม่สามารถแยกย่อยได้อีก แบบจำของนี้รู้จักในชื่อว่า แบบจำลองอะตอมของดอลตัน อย่างไรก็ตาม ในเวลาถัดมาได้มีนักวิทยาศาสตร์หลายท่านที่เชื่อว่าอะตอมควรจะแยกย่อยได้อีก และกล่าวว่าหน่วยย่อยที่สุดของสสารควรมีขนาดเท่ากับอะตอมที่เล็กที่สุด

ในปี 1891 นักวิทยาศาสตร์ชื่อ George Johnstone Stoney ผู้ซึ่งศึกษาสภาพไฟฟ้าของอะตอม ได้เสนอว่า ในธรรมชาติควรจะมีหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุไฟฟ้า และเขาเรียกหน่วยที่เล็กที่สุดของประจุนี้ว่า Electron หรือก็คือ อิเล็กตรอน

George Johnstone Stoney

ในปี 1897 ที่ Royal Institution ประเทศอังกฤษ ทอมสันได้วิจัยเรื่องการนำไฟฟ้าผ่านก๊าซด้วยหลอดรังสีแคโทด ทอมสันพบว่าเมื่อสูบก๊าซออกจากหลอดรังสีแคโทดแล้วจะพบลำของอนุภาคถูกปล่อยออกและเคลื่อนที่จาก ขั้วแคโทน ไปยัง แอโนด ทอมสันได้พบว่าลำของอนุภาคนี้สามารถเลี้ยวเบนได้ในสนามไฟฟ้าทอมสันได้เสนอว่ารังสีแค่โทดคือลำของการเคลื่อนที่ของอนุภาคประจุลบที่เบากว่าอะตอมของไฮโดรเจนมากกว่า 1000 เท่า ทอมสันตั้งชื่ออนุภาคนี้ว่า Corpuscale นอกจากนี้ ทอมสันได้ใช้หลักการเลี้ยวของอนุภาคในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กเพื่อคำนวณหาอัตราส่วน มวลต่อประจุของ Corpuscale ได้

หลอดรังสีแคโทด

ทอมสันได้เปลี่ยนวิธิการทดลองโดยการเปลี่ยนโลหะที่ใช้ทำขั้วแคโทดและแอโนดรวมทั้งเปลี่ยนก๊าซที่อยู่ในหลอดรังสีด้วย จากการทดลองหลาย ๆ ครั้ง จนทอมสันได้สรุปว่า ค่ามวลต่อประจุของ Corpuscale ไม่ขึ้นกับวัสดุหรือก๊าซของรังสีแคโดทเลย อะตอมของสสารต่างก็มี Corpuscale นำไปสู่ผลสรุปว่า อะตอมไม่ใช่สิ่งที่เป็นพื้นฐานของสสาร มันยังสามาถแยกออกเป็นองค์ประกอบย่อยได้อีก และ อนุภาค Corpuscale เป็นองค์ประกอบพื้นฐานของทุกอะตอม ในภายหลังนักวิทยาศาสตร์เรียก Corpuscale ที่ทอมสันค้นพบว่า Electron ตามการแนวคิดเรื่องหน่วยที่เล็กที่สุดของอนุภาคไฟฟ้าของ George Johnstone Stoney จึงกล่าวได้ว่า ทอมสันได้ค้นพบ Electron จากการทดลองด้วยหลอดรังสีแคโทด

แบบจำลองอะตอมของทอมสันและต้นแบบเครื่่องสเปกโตรสโคป

ภายหลังจากการค้นพบอิเล็กตรอนแล้ว ทอมสันก็หันมาสนใจเกี่ยวกับโครงสร้างของอะตอม ประกอบกับการทดของรังสีแอโนดของ Eugen Goldstein เป็นข้อมูลที่ทำให้ทอมสันและนักวิทยาศาสตร์อีกหลายท่านเชื่อว่า ควรจะมีอนุภาคประจุบวกเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของอะตอมด้วย ในปี 1904 ทอมสันเสนอว่าอะตอมควรจะประกอบด้วยทะเลหรือหมอกของอนุภาคประจุบวก และมี Electron อยู่อย่างสม่ำเสมอในทะเลของอนุภาคประจุบวกนี้ ประจุไฟฟ้าของอนุภาคประจุบวกจะหักล้างกับประจุของ Electron ดังนั้นอำนาจทางไฟฟ้าของอะตอมเป็นกลาง นี้คือแบบจำลองอะตอมของทอมสัน (ภายหลังแบบจำลองนี้ก็ได้ถูกยกเลิกไป และเปลี่ยนไปเป็น แบบจำลองอะตอมของรัทเธอร์ฟอร์ด และในปัจจุบัน แบบจำลองอะตอมได้รับการพัฒนาไปสู่แบบจำลองอะตอมกลุ่มหมอก)

แบบจำลองอะตอมของ ทอมสัน รัทเทอร์ฟอร์ด และแบบจำลองอะตอมกลุ่มหมอก เรียงจากซ้ายไปขวาตามลำดับ

ในปี 1912 ทอมสัน และผู้ช่วยวิจัยชื่อ Francis William Aston ร่วมกันศึกษาการกระเจิงของลำประจุบวกของธาตุนีออนในสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก พวกเขาได้พบว่าลำของนีออนที่มีประจุบวกแยกออกเป็นสองลำหลังจากเคลื่อนที่ผ่านสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็ก การที่ลำของนีออนแยกออกเป็นสองลำนี้แสดงให้เห็นว่าธาตุนีออนที่เคลื่อนที่เป็นลำทั้งสองลำมีมวลไม่เท่ากัน (เพราะมีจำนวน Neutron ไม่เท่ากัน) ทำให้มีความเร่งอันเนื่องจากสนามไฟฟ้าหรือสนามแม่เหล็กไม่เท่ากันและเคลื่อนที่แยกออกจากกันในที่สุด และนี้คือการค้นพบไอโซโทปทั้งสองไอโซโทปของธาตุนีออน ซึ่งก็คือ Ne-20 และ Ne-22 และหลังจากนั้น หลอดรังสีที่ดูการเคลื่อนที่ของประจุบวกนี้คือตัวอย่างแรก ๆ ของเครื่อง Mass spectroscopy ซึ่งได้มีการปรับปรุงและพัฒนาต่อโดย Francis William Aston และ Arthur Jeffrey Dempster

รูปแสดงหลังการของเครื่อง Spectroscopy อย่างคร่าว ๆ

ตำแหน่งอันทรงเกียรติ และผลงานตีพิมพ์ ของทอมสัน

ทอมสันได้รับการแต่งตั้งให้ประดับยศชั้นอัศวินในปี 1908 ต่อมาเขาได้รับเลือกให้เป็นสมาชิกของ Royal Society ในปี 1884 และได้ดำรงประธานของ Royal Society ในปี 1916 ถึง 1920 ซึ่งก่อนหน้านี้เขาได้เคยดำรงตำแหน่งประธานของ British Association ในปี 1909 มาแล้ว ในช่วงชีวิตของทอมสัน เขาได้รับรางวัลอันทรงเกียรติมากมาย และได้รับปริญญาเอก จากมหาวิทยาลัยชั้นนำหลายแห่ง

ผลงานตีพิมพ์ของทอมสัน ได้แก่

A Treatise on the Motion of Vortex Ring (1883)
Application of Dynamics to Physics and Chemistry (1886)
Note on Recent Researches in Electricity and Magnetism (1892)
Properties of Matter (1895), The Discharge of Eletricity through Gases (1897)
Conduction of Electricity (1903)
The Structure of Light (1907)
The Corpuscular Theory of Matter (1907)
Rays of Positive Electricity (1913)
The Electron in Chemistry (1923)
ชีวประวัติของเขาเองในหนังสือ Recollections and Reflections (1936)
และอื่นๆ

รางวัลของทอมสัน

Royal Medal (1894)

Hughes Medal (1902)

รางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ (1906)

Elliott Cresson Medal (1910)

เหรียญคอปลีย์ (1914)

รางวัลสถาบันแฟรงคลิน (1922)

ปี ค.ศ. 1991 มีการกำหนดหน่วยวัด ทอมสัน สำหรับวัดอัตราส่วนมวลต่อประจุจากการวัดแมสสเปกโตรเมทรี