febrero 25, 2024
Biografias

Joseph John Thomson

Tiempo de lectura estimado: 13 minutos

Sir Joseph John Thomson (18 de diciembre de 1856 – 30 de agosto de 1940) fue un físico británico y Premio Nobel de Física, acreditado con el descubrimiento del electrón, la primera partícula subatómica en ser descubierta.

En 1897, Thomson demostró que los rayos catódicos estaban compuestos por partículas cargadas negativamente previamente desconocidas (llamadas ahora electrones), las cuales calculó que debían de tener cuerpos mucho más pequeños que los átomos y una relación carga-masa muy grande.


J.J. Thomson. Físico británico
J.J. Thomson. Físico británico

Thomson también es reconocido por encontrar la primera evidencia de isótopos de un elemento estable (no radiactivo) en 1913, como parte de su exploración sobre la composición de los rayos canales (iones positivos). Sus experimentos para determinar la naturaleza de las partículas cargadas positivamente, con Francis William Aston, fueron los primeros en utilizar espectrometría de masas y llevaron al desarrollo del espectrógrafo de masas.

Thomson recibió el Premio Nobel de Física en 1906 por su trabajo en la conducción de la electricidad en gases. Thomson también fue maestro y varios de sus estudiantes también ganaron Premios Nobel.

Educación y vida personal de Thomson

Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en Cheetham Hill, Manchester, Lancashire, Inglaterra. Su madre, Emma Swindells, provenía de una familia textil local. Su padre, Joseph James Thomson, dirigía una librería antigua fundada por el bisabuelo de Thomson. Tenía un hermano, Frederick Vernon Thomson, que era dos años más joven que él. J. J. Thomson era un anglicano reservado pero devoto.

Su educación temprana fue en pequeñas escuelas privadas donde demostró un talento excepcional e interés por la ciencia. En 1870, fue admitido en Owens College en Manchester (ahora Universidad de Manchester) a la inusualmente joven edad de 14 años y estuvo bajo la influencia de Balfour Stewart, profesor de física, quien inició a Thomson en la investigación física. Thomson comenzó a experimentar con la electrificación por contacto y pronto publicó su primer artículo científico. Sus padres planeaban inscribirlo como aprendiz de ingeniero en Sharp, Stewart & Co, un fabricante de locomotoras, pero estos planes se truncaron cuando su padre murió en 1873.

Luego, se trasladó al Trinity College, Cambridge, en 1876. En 1880, obtuvo su Licenciatura en Matemáticas (Segundo Wrangler en el Tripos y 2º Premio Smith). Solicitó y se convirtió en miembro del Trinity College en 1881. Thomson recibió su título de Maestría en Artes (con el Premio Adams) en 1883.

Familia

En 1890, Thomson se casó con Rose Elisabeth Paget. A partir de 1882, las mujeres podían asistir a demostraciones y conferencias en la Universidad de Cambridge. Rose Paget, hija del doctor Sir George Edward Paget, quien en ese entonces era Regius Professor de Física en Cambridge, en la iglesia de St. Mary the Less, estaba interesada en la física. Asistió a demostraciones y conferencias, entre ellas las de Thomson. Su relación se desarrolló a partir de allí.

Tuvieron dos hijos: George Paget Thomson, quien también recibió un Premio Nobel por su trabajo sobre las propiedades ondulatorias del electrón, y Joan Paget Thomson (más tarde Charnock), quien se convirtió en autora, escribiendo libros para niños, no ficción y biografías.

Carrera científica

El 22 de diciembre de 1884, Thomson fue nombrado Profesor Cavendish de Física en la Universidad de Cambridge. El nombramiento causó considerable sorpresa, ya que candidatos como Osborne Reynolds o Richard Glazebrook eran mayores y tenían más experiencia en trabajo de laboratorio. Thomson era conocido por su trabajo como matemático, donde se reconocía su excepcional talento.

Fue galardonado con un Premio Nobel en 1906, «en reconocimiento a los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conducción de la electricidad por los gases.” Fue nombrado caballero en 1908 y se le otorgó la Orden del Mérito en 1912. En 1914, dio la Conferencia Romanes en Oxford sobre «La teoría atómica».

Thomson en su laboratorio
Thomson en su laboratorio

En 1918, se convirtió en Master del Trinity College, Cambridge, donde permaneció hasta su muerte. Joseph John Thomson murió el 30 de agosto de 1940; sus cenizas descansan en la Abadía de Westminster, cerca de las tumbas de Sir Isaac Newton y su antiguo estudiante, Ernest Rutherford.

Uno de los estudiantes de Thomson fue Ernest Rutherford, quien más tarde lo sucedió como Profesor Cavendish de Física. Seis de los asistentes de investigación y colegas junior de Thomson (Charles Glover Barkla, Niels Bohr, Max Born, William Henry Bragg, Owen Willans Richardson y Charles Thomson Rees Wilson) ganaron Premios Nobel en física, y dos (Francis William Aston y Ernest Rutherford) ganaron Premios Nobel en química. El hijo de Thomson (George Paget Thomson) también ganó el Premio Nobel de Física en 1937 por demostrar las propiedades ondulatorias de los electrones.

Primeros trabajos de Thomson

El trabajo de maestría de Thomson, que ganó un premio, «Tratado sobre el movimiento de anillos de vórtice», muestra su temprano interés en la estructura atómica. En él, Thomson describió matemáticamente los movimientos de la teoría del átomo de vórtice de William Thomson. Thomson publicó varios trabajos que abordaban tanto cuestiones matemáticas como experimentales de electromagnetismo.

Examinó la teoría electromagnética de la luz de James Clerk Maxwell, introdujo el concepto de la masa electromagnética de una partícula cargada y demostró que un cuerpo cargado en movimiento aparentemente aumentaría su masa. Gran parte de su trabajo en modelado matemático de procesos químicos puede considerarse como química computacional temprana.

En trabajos posteriores, publicados en forma de libro como «Aplicaciones de la dinámica a la física y la química» (1888), Thomson abordó la transformación de la energía en términos matemáticos y teóricos, sugiriendo que toda la energía podría ser cinética. Su siguiente libro, «Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo» (1893), se basó en el «Tratado sobre electricidad y magnetismo» de Maxwell y a veces se llamó «el tercer volumen de Maxwell».

En él, Thomson enfatizó los métodos físicos y la experimentación e incluyó extensas figuras y diagramas de aparatos, incluyendo varios para el paso de electricidad a través de gases. Su tercer libro, «Elementos de la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo» (1895), fue una introducción legible a una amplia variedad de temas y logró una considerable popularidad como libro de texto.

Descubrimiento del electrón

Varios científicos, como William Prout y Norman Lockyer, habían sugerido que los átomos estaban construidos a partir de una unidad más fundamental, pero imaginaban que esta unidad tenía el tamaño del átomo más pequeño, el hidrógeno. Thomson en 1897 fue el primero en sugerir que una de las unidades fundamentales del átomo era más de 1,000 veces más pequeña que un átomo, lo que sugiere la partícula subatómica ahora conocida como electrón. Thomson descubrió esto a través de sus exploraciones sobre las propiedades de los rayos catódicos.

Thomson hizo su sugerencia el 30 de abril de 1897 después de descubrir que los rayos catódicos (en ese momento conocidos como rayos Lenard) podían viajar mucho más lejos a través del aire de lo esperado para una partícula del tamaño de un átomo. Estimó la masa de los rayos catódicos midiendo el calor generado cuando los rayos golpeaban una unión térmica y comparando esto con la deflexión magnética de los rayos.

Placa conmemorativa del descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en el exterior del antiguo Laboratorio Cavendish de Cambridge
Placa conmemorativa del descubrimiento del electrón por J. J. Thomson en el exterior del antiguo Laboratorio Cavendish de Cambridge

Sus experimentos sugirieron no solo que los rayos catódicos eran más de 1,000 veces más ligeros que el átomo de hidrógeno, sino también que su masa era la misma en cualquier tipo de átomo del que provinieran. Concluyó que los rayos estaban compuestos de partículas muy ligeras y cargadas negativamente que eran una unidad de construcción universal de los átomos. Llamó a las partículas «corpúsculos», pero los científicos posteriores prefirieron el nombre electrón que había sido sugerido por George Johnstone Stoney en 1891, antes del descubrimiento real de Thomson.

En abril de 1897, Thomson solo tenía indicios tempranos de que los rayos catódicos podían ser desviados eléctricamente (investigadores anteriores como Heinrich Hertz habían pensado que no se podían desviar). Un mes después del anuncio del corpúsculo de Thomson, descubrió que podía desviar de manera confiable los rayos mediante un campo eléctrico si evacuaba el tubo de descarga a una presión muy baja.

Al comparar la deflexión de un haz de rayos catódicos por campos eléctricos y magnéticos, obtuvo mediciones más robustas de la relación masa-carga que confirmaron sus estimaciones anteriores. Esto se convirtió en el medio clásico de medir la relación carga-masa del electrón. (La carga en sí misma no se midió hasta el experimento de gota de aceite de Robert A. Millikan en 1909).

Thomson creía que los corpúsculos surgían de los átomos del gas raro dentro de sus tubos de rayos catódicos. Por lo tanto, concluyó que los átomos eran divisibles y que los corpúsculos eran sus bloques de construcción.

En 1904, Thomson propuso un modelo del átomo, hipotetizando que era una esfera de materia positiva dentro de la cual las fuerzas electrostáticas determinaban la colocación de los corpúsculos. Para explicar la carga eléctrica globalmente neutral del átomo, propuso que los corpúsculos se distribuían en un mar uniforme de carga positiva.

En este «modelo de pudín de ciruela», los electrones se veían como incrustados en la carga positiva como pasas en un pudín de ciruela (aunque en el modelo de Thomson no estaban estacionarios, sino que orbitaban rápidamente).

Thomson hizo el descubrimiento alrededor del mismo tiempo en que Walter Kaufmann y Emil Wiechert descubrieron la relación correcta de masa a carga de estos rayos catódicos (electrones).

Isótopos y espectrometría de masas

En 1912, como parte de su exploración sobre la composición de los flujos de partículas cargadas positivamente entonces conocidos como rayos canal, Thomson y su asistente de investigación F. W. Aston canalizaron un flujo de iones de neón a través de un campo magnético y eléctrico y midieron su desviación colocando una placa fotográfica en su camino.

Observaron dos manchas de luz en la placa fotográfica (ver imagen a la derecha), lo que sugirió dos parábolas diferentes de desviación, y concluyeron que el neón está compuesto de átomos de dos masas atómicas diferentes (neón-20 y neón-22), es decir, de dos isótopos.

Esta fue la primera evidencia de isótopos de un elemento estable; Frederick Soddy había propuesto previamente la existencia de isótopos para explicar la descomposición de ciertos elementos radiactivos.

La separación de los isótopos de neón por su masa por parte de J. J. Thomson fue el primer ejemplo de espectrometría de masas, que posteriormente fue mejorada y desarrollada como un método general por F. W. Aston y A. J. Dempster.

Experimentos con rayos catódicos

Anteriormente, los físicos debatían si los rayos catódicos eran inmateriales como la luz («algún proceso en el éter») o si eran «en realidad completamente materiales, y… marcaban los caminos de las partículas de materia cargadas con electricidad negativa», citando a Thomson. La hipótesis del éter era vaga, pero la hipótesis de la partícula era lo suficientemente clara para que Thomson la pudiera poner a prueba.

Thomson investigó primero la deflexión magnética de los rayos catódicos. Los rayos catódicos se producían en el tubo lateral izquierdo del aparato y pasaban a través del ánodo hacia la campana principal, donde eran desviados por un imán. Thomson detectaba su trayectoria mediante la fluorescencia en una pantalla cuadrada dentro de la campana.

Descubrió que, independientemente del material del ánodo y del gas en la campana, la deflexión de los rayos era la misma, lo que sugiere que los rayos tenían la misma forma independientemente de su origen.

Carga eléctrica

Mientras que los partidarios de la teoría del éter aceptaban la posibilidad de que se produjeran partículas cargadas negativamente en los tubos de Crookes, creían que eran un simple subproducto y que los rayos catódicos en sí mismos eran inmateriales. Thomson se propuso investigar si realmente podía separar la carga de los rayos.

Thomson construyó un tubo de Crookes con un electrómetro colocado a un lado, fuera del camino directo de los rayos catódicos. Thomson podía trazar el camino del rayo observando la mancha fosforescente que creaba donde golpeaba la superficie del tubo. Thomson observó que el electrómetro registraba una carga solo cuando desviaba el rayo catódico hacia él con un imán. Concluyó que la carga negativa y los rayos eran lo mismo.

Deflexión eléctrica

La ilustración de Thomson del tubo de Crookes con el que observó la deflexión de los rayos catódicos por un campo eléctrico (y posteriormente midió su relación masa-carga).

Los rayos catódicos se emitían desde el cátodo C, pasaban a través de las ranuras A (el ánodo) y B (a tierra), luego a través del campo eléctrico generado entre las placas D y E, para finalmente impactar en la superficie en el extremo lejano.

Réplica del tubo de rayos catódicos con deflexión eléctrica de Thomson.
Réplica del tubo de rayos catódicos con deflexión eléctrica de Thomson.

En mayo-junio de 1897, Thomson investigó si los rayos podían ser desviados por un campo eléctrico. Experimentadores anteriores habían fracasado en observar esto, pero Thomson creía que sus experimentos eran deficientes porque sus tubos contenían demasiado gas. Thomson construyó un tubo de Crookes con un vacío mejorado. Al principio del tubo estaba el cátodo desde el cual se proyectaban los rayos.

Los rayos se afilaron a un haz por dos ranuras de metal: la primera de estas ranuras también hacía de ánodo, la segunda estaba conectada a tierra. El haz luego pasaba entre dos placas de aluminio paralelas, que producían un campo eléctrico entre ellas cuando se conectaban a una batería. El extremo del tubo era una esfera grande donde el haz impactaría en el vidrio, creando una mancha luminosa.

Thomson pegó una escala en la superficie de esta esfera para medir la deflexión del haz. Cualquier haz de electrones chocaría con algunos átomos residuales de gas dentro del tubo de Crookes, ionizándolos y produciendo electrones e iones en el tubo (carga espacial); en experimentos anteriores, esta carga espacial tamizaba eléctricamente el campo eléctrico aplicado externamente. Sin embargo, en el tubo de Crookes de Thomson, la densidad de átomos residuales era tan baja que la carga espacial de los electrones e iones era insuficiente para tamizar eléctricamente el campo eléctrico aplicado externamente, lo que permitió a Thomson observar con éxito la deflexión eléctrica.

Cuando la placa superior se conectaba al polo negativo de la batería y la placa inferior al polo positivo, la mancha luminosa se movía hacia abajo, y cuando se invertía la polaridad, la mancha se movía hacia arriba.

Medición de la relación masa/carga

En su experimento clásico, Thomson midió la relación masa-carga de los rayos catódicos midiendo cuánto se desviaban en un campo magnético y comparando esto con la desviación eléctrica. Utilizó el mismo aparato que en su experimento anterior, pero colocó el tubo de descarga entre los polos de un gran electromagneto.

Descubrió que la relación masa-carga era más de mil veces menor que la de un ion de hidrógeno (H+), lo que sugiere que las partículas eran muy ligeras y/o muy cargadas positivamente. Significativamente, los rayos de cada cátodo producían la misma relación masa-carga. Esto contrasta con los rayos anódicos (ahora se sabe que provienen de iones positivos emitidos por el ánodo), donde la relación masa-carga varía de ánodo a ánodo.

Thomson mismo siguió siendo crítico con lo que su trabajo estableció, en su discurso de aceptación del Premio Nobel se refirió a «corpúsculos» en lugar de «electrones».

Otros trabajos de Thomson

En 1905, Thomson descubrió la radioactividad natural del potasio y en 1906, demostró que el hidrógeno tenía solo un electrón por átomo. Las teorías anteriores permitían varios números de electrones.

Para más información J.J. Thomson

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APA: (2023-12-18). Joseph John Thomson. Recuperado de https://quimicafacil.net/infografias/biografias/joseph-john-thomson/

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Vancouver: . Joseph John Thomson. [Internet]. 2023-12-18 [citado 2024-02-26]. Disponible en: https://quimicafacil.net/infografias/biografias/joseph-john-thomson/.

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