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ジョセフ・ジョン・トムソン卿（1856年12月18日 - 1940年8月30日）[ 3 ]はイギリスの物理学者でした。彼は「気体による電気伝導に関する理論的および実験的研究の偉大な功績」が認められ、 1906年にノーベル物理学賞を受賞しました。 [ 4 ] 1897年、彼は陰極線がこれまで知られていなかった負に帯電した粒子（現在は電子と呼ばれている）で構成されていることを示し、その粒子は原子よりもはるかに小さい物体を持ち、電荷対質量比が非常に大きいに違いないと計算しました。[ 5 ]電子は最初に発見された素粒子でした。
トムソンは、1912年にカナル線（正イオン）の組成を調査する過程で、安定（非放射性）元素の同位体の最初の証拠を発見したとされている。フランシス・ウィリアム・アストンと共に行った、正に帯電した粒子の性質を決定するための彼の実験は、質量分析法の最初の使用例であり、質量分析計の開発につながった。[ 5 ] [ 6 ]
トムソンは影響力のある教師であり、彼の教え子のうち7人がノーベル賞を受賞しました。アーネスト・ラザフォード（化学、1908年）、ローレンス・ブラッグ（物理学、1915年）、チャールズ・バークラ（物理学、1917年）、フランシス・アストン（化学、1922年）、チャールズ・トムソン・リース・ウィルソン（物理学、1927年）、オーウェン・リチャードソン（物理学、1928年）、エドワード・アップルトン（物理学、1947年）です。[ 7 ]彼の息子、ジョージ・パジェット・トムソンは、1937年にクリントン・デイヴィソンと共に「結晶による電子の回折の実験的発見」によりノーベル物理学賞を受賞しました。[ 8 ]
ジョセフ・ジョン・トムソンは、1856年12月18日にマンチェスターのチータム・ヒルで生まれた。彼の母親、エマ・スウィンデルズは地元の繊維業を営む家系の出身だった。彼の父親、ジョセフ・ジェームズ・トムソンは、トムソンの曽祖父が創業した古書店を経営していた。ジョセフ・ジョンには、彼より2歳年下のフレデリック・ヴァーノン・トムソンという弟がいた。[ 9 ]トムソンは控えめだが敬虔な英国国教会信者だった。[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ]
トムソンは幼少期に小さな私立学校で教育を受け、そこで卓越した才能と科学への関心を示した。1870年、彼は異例の若さである14歳でマンチェスターのオーウェンズ・カレッジ（現在のマンチェスター大学）に入学し、物理学教授のバルフォア・スチュワートの影響を受け、物理学の研究を始めた。 [ 13 ]彼は接触帯電の実験を始め、すぐに最初の科学論文を発表した。[ 14 ]彼の両親は彼を機関車製造会社のシャープ・スチュワート社に見習い技師として入所させる予定だったが、1873年に父親が亡くなったため、この計画は頓挫した。 [ 9 ]
1876年、トムソンはケンブリッジ大学トリニティ・カレッジに進学した。1880年、数学の学士号（トライポスで2位[ 15 ] 、スミス賞2位）を取得した[ 16 ]。翌年、トリニティ・カレッジのフェローに応募し、フェローとなった[ 17 ] 。1883年には修士号（アダムズ賞）を取得した[ 16 ]。
1884年12月22日、トムソンはケンブリッジ大学のキャベンディッシュ物理学教授に任命された。[ 5 ]この任命は大きな驚きを呼んだ。オズボーン・レイノルズやリチャード・グレーズブルックといった候補者はトムソンより年上で実験室での経験も豊富だったのに対し、トムソンは数学者としての業績で知られ、並外れた才能の持ち主として認められていたからである。[ 18 ]
トムソンは1908年にナイトの称号を授与され、 1912年にメリット勲章を授与された。オックスフォード大学では、1914年に「原子論」と題するロマネス講演を行った。1918年にはケンブリッジ大学トリニティ・カレッジの学長に就任し、1940年8月30日に亡くなるまでその職を務めた。彼の遺灰はウェストミンスター寺院に安置されており[ 19 ]、アイザック・ニュートンと彼の元教え子であるアーネスト・ラザフォードの墓の近くにある[ 20 ]。
ラザフォードはキャベンディッシュ教授としてトムソンの後任となった。トムソンの研究助手や後輩のうち6人（チャールズ・グローバー・バークラ[ 21 ] 、ニールス・ボーア[ 22 ] 、マックス・ボルン[ 23 ] 、ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ、オーウェン・ウィランズ・リチャードソン[ 24 ]、チャールズ・トムソン・リース・ウィルソン[ 25 ]）がノーベル物理学賞を受賞し、2人（フランシス・ウィリアム・アストン[ 26 ]とアーネスト・ラザフォード[ 27 ]）がノーベル化学賞を受賞した。トムソンの息子、ジョージ・パジェット・トムソンは、電子の波動性を証明した功績で1937年のノーベル物理学賞を受賞した[ 28 ] 。
トムソンの受賞作である修士論文「渦輪の運動に関する論文」は、原子構造に対する彼の初期の関心を示している。[ 29 ]この論文の中で、トムソンはケルビン卿の原子の渦理論の運動を数学的に記述した。[ 18 ]
トムソンは電磁気学の数学的および実験的問題の両方を扱った論文を多数発表した。彼はジェームズ・クラーク・マクスウェルの光の電磁理論を検証し、荷電粒子の電磁質量の概念を導入し、運動する荷電物体は見かけ上質量が増加することを実証した。[ 18 ]
化学プロセスの数学的モデリングに関する彼の研究の多くは、初期の計算化学と考えることができる。[ 5 ]さらに、物理学と化学への力学の応用（1888年）として書籍として出版された研究で、トムソンはエネルギーの変換を数学的および理論的な用語で扱い、すべてのエネルギーは運動エネルギーである可能性があると示唆した。[ 18 ]彼の次の著書である電気と磁気に関する最近の研究に関する覚書（1893年）は、マックスウェルの電気と磁気に関する論文に基づいており、「マックスウェルの第3巻」と呼ばれることもあった。[ 29 ]この中で、トムソンは物理的方法と実験を重視し、気体を通過する電気の数を含む装置の図や図を多数掲載した。[ 18 ]彼の3番目の著書である電気と磁気の数学的理論の要素（1895年）[ 30 ]は、幅広い主題への読みやすい入門書であり、教科書としてかなりの人気を博した。[ 18 ]
トムソンが1896年にプリンストン大学を訪れた際に行った4回の講義は、後に『気体による放電』 （1897年）として出版された。彼はまた、 1904年にイェール大学で6回の講義を行った。[ 29 ]
ウィリアム・プラウトやノーマン・ロッキヤーなど数人の科学者は、原子はより基本的な単位から構成されていると示唆していたが、彼らはこの単位を最小の原子である水素の大きさだと考えていた。1897年にトムソンは、原子の基本単位の1つが原子の1,000倍以上小さいことを初めて示唆し、現在電子として知られる素粒子を示唆した。トムソンは陰極線の性質の調査を通じてこれを発見した。トムソンは、陰極線（当時はレナード線として知られていた）が原子サイズの粒子としては予想以上に空気中を遠くまで進むことができることを発見した後、1897年4月30日にこの提案を行った。[ 31 ]彼は、陰極線が熱接合部に当たったときに発生する熱を測定し、これを陰極線の磁気偏向と比較することによって陰極線の質量を推定した。彼の実験は、陰極線が水素原子より 1,000 倍以上軽いだけでなく、どの種類の原子から発生した場合でも質量が同じであることを示唆した。彼は、陰極線は非常に軽く、負に帯電した粒子で構成されており、それが原子の普遍的な構成要素であると結論付けた。彼はこれらの粒子を「微粒子」と呼んだが、後の科学者たちは、トムソンの発見に先立つ 1891 年にジョージ・ジョンストン・ストーニーが提案した「電子」という名称を好んだ。 [ 32 ]
1897年4月、トムソンは陰極線が電気的に偏向できるという初期的な兆候しか得ていなかった（ハインリヒ・ヘルツなどの以前の研究者は、陰極線は偏向できないと考えていた）。トムソンが電子粒子を発表してから1か月後、放電管を非常に低い圧力まで真空にすれば、電場によって陰極線を確実に偏向できることを発見した。陰極線ビームの電場と磁場による偏向を比較することで、質量電荷比のより確実な測定値を得て、以前の推定値を裏付けた。[ 33 ]これは電子の電荷質量比を測定する古典的な方法となった。その後、1899年に彼は電子の電荷を測定した。6.8 × 10 −10 esu。[ 34 ]
トムソンは、微粒子は陰極線管内の微量ガスの原子から生じると信じていた。そのため、原子は分割可能であり、微粒子はその構成要素であると結論付けた。1904年、トムソンは原子のモデルを提案し、原子は正の物質の球体であり、その中で静電気力が微粒子の位置を決定すると仮説を立てた。[ 5 ]原子の全体的な電荷が中性であることを説明するため、微粒子は正の電荷の均一な海に分布していると提案した。この「プラムプディングモデル」では、電子はプラムプディングの中のレーズンのように正の電荷の中に埋め込まれていると考えられた（ただし、トムソンのモデルでは電子は静止しておらず、高速で軌道を描いていた）。[ 35 ] [ 36 ]
トムソンは、ウォルター・カウフマンとエミール・ヴィーヒェルトがこれらの陰極線（電子）の正しい質量電荷比を発見したのとほぼ同時期にこの発見をした。 [ 37 ]
科学界では、主にジョージ・フランシス・フィッツジェラルド、ジョセフ・ラーモア、ヘンドリック・ローレンツの提唱により、これらの粒子に「電子」という名称が採用されました。[ 38 ] : 273この用語はもともと、1891 年にジョージ・ジョンストン・ストーニーによって、電気電荷の基本単位 (当時はまだ発見されていませんでした) の暫定的な名称として造語されました。[ 39 ] [ 40 ]トムソンは、一部の物理学者が「正の電子」を正電荷の基本単位とみなし、「負の電子」が負電荷の基本単位であると述べるのが気に入らなかったため、数年間「電子」という言葉の使用に抵抗しました。トムソンは、厳密に負に帯電していると定義した「微粒子」という言葉に固執することを好みました。[ 41 ]彼は 1914 年までに折れ、著書『原子論』で「電子」という言葉を使用しました。[ 42 ] 1920年、ラザフォードとその仲間たちは、水素イオンの原子核を「陽子」と呼ぶことに合意し、既知の最小の正電荷を持つ物質粒子（いずれにせよ独立して存在できるもの）に明確な名前を確立した。[ 43 ]
1912年、トムソンと研究助手FWアストンは、当時カナル線として知られていた正に帯電した粒子の流れの組成を調査する一環として、ネオンイオンの流れを磁場と電場に通し、その経路に写真乾板を置いて偏向を測定した。[ 9 ]彼らは写真乾板上に2つの光の斑点を観察し（右の画像を参照）、これは2つの異なる放物線の偏向を示唆しており、ネオンは2つの異なる原子質量（ネオン20とネオン22）の原子、つまり2つの同位体で構成されていると結論付けた。[ 44 ] [ 45 ]これは安定元素の同位体の最初の証拠であった。フレデリック・ソディは、特定の放射性元素の崩壊を説明するために同位体の存在を以前に提案していた。
トムソンによるネオン同位体の質量による分離は、質量分析法の最初の例であり、その後、 FW アストンとAJ デンプスターによって改良され、一般的な方法へと発展した。[ 5 ] [ 6 ]
以前、物理学者たちは陰極線が光のように非物質的なもの（「エーテル内の何らかのプロセス」）なのか、それとも「実際には完全に物質的なものであり、負の電荷を帯びた物質の粒子の経路を示すもの」なのかを議論していたとトムソンは述べている。[ 33 ]エーテル仮説は曖昧であったが、[ 33 ]粒子仮説はトムソンが検証するのに十分なほど明確であった。
トムソンは最初に陰極線の磁気偏向を研究した。陰極線は装置の左側の側管で生成され、陽極を通過してメインのベルジャーに入り、そこで磁石によって偏向された。トムソンはジャー内の正方形のスクリーン上の蛍光によってその経路を検出した。彼は陽極の材質やジャー内のガスの種類に関係なく、光線の偏向が同じであることを発見し、光線は発生源に関係なく同じ形状であることを示唆した。[ 46 ]
エーテル理論の支持者たちは、クルックス管で負電荷粒子が生成される可能性は認めていたものの、それらは単なる副産物であり、陰極線自体は非物質的であると考えていた。トムソンは、実際に電荷を陰極線から分離できるかどうかを調査することに着手した。
トムソンは、陰極線の直接の経路から外れた片側に電位計を設置したクルックス管を製作した。トムソンは、陰極線が管の表面に当たった場所に生じる燐光のパッチを観察することで、陰極線の経路を追跡することができた。トムソンは、陰極線を磁石で電位計に偏向させたときにのみ電位計が電荷を記録することに気づいた。彼は、負電荷と陰極線は同一のものであると結論付けた。[ 31 ]
1897年5月から6月にかけて、トムソンは光線が電場によって偏向されるかどうかを調査した。[ 9 ]以前の実験者たちはこれを観察できなかったが、トムソンは彼らの実験は管の中にガスが多すぎたために欠陥があったと考えた。
トムソンは、より真空度の高いクルックス管を製作した。管の始端には陰極があり、そこから光線が照射された。光線は2つの金属スリットによってビーム状に絞り込まれた。最初のスリットは陽極としても機能し、2番目のスリットはアースに接続されていた。ビームは2枚の平行なアルミニウム板の間を通過し、電池に接続すると、これらの板の間に電場が生じた。管の終端は大きな球体で、ビームがガラスに衝突すると、光る斑点ができた。トムソンはこの球体の表面に目盛りを貼り付け、ビームの偏向を測定した。電子ビームはクルックス管内の残留ガス原子と衝突し、ガス原子を電離させて管内に電子とイオン（空間電荷）を生成する。以前の実験では、この空間電荷が外部から印加された電場を電気的に遮蔽していた。しかし、トムソンのクルックス管では残留原子の密度が非常に低かったため、電子とイオンによる空間電荷が外部から印加された電場を電気的に遮蔽するのに不十分であり、その結果、トムソンは電気的偏向を観測することに成功した。
上部のプレートを電池の負極に、下部のプレートを正極に接続すると、発光部分は下方に移動し、極性を反転させると、発光部分は上方に移動した。
トムソンは、古典的な実験で、陰極線が磁場によってどれだけ偏向されるかを測定し、これを電気的な偏向と比較することによって、陰極線の質量電荷比を測定した。彼は以前の実験と同じ装置を使用したが、放電管を大型電磁石の極の間に置いた。彼は、質量電荷比が水素イオン（H + ）のそれよりも千倍以上低いことを発見し、粒子が非常に軽いか、または非常に高い電荷を持っていることを示唆した。[ 33 ]重要なことに、すべての陰極からの光線は同じ質量電荷比を示した。これは、陽極から放出される正イオンから生じることが現在知られている陽極線とは対照的で、陽極ごとに質量電荷比が変化する。トムソン自身は、ノーベル賞受賞スピーチで「電子」ではなく「微粒子」に言及するなど、自分の研究が確立したことを批判し続けた。
トムソンの計算は、以下のように要約できる（彼のオリジナルの表記法では、電場を表すのにEの代わりにF、磁場を表すのにBの代わりにHを使用している）。
電気偏向は次式で与えられる。ここで、Θは電場の角度偏向、Fは印加電界強度、eは陰極線粒子の電荷、lは電気板の長さ、mは陰極線粒子の質量、vは陰極線粒子の速度である。磁気偏向は次式で与えられる。ここで、φは角度磁気偏向、Hは印加磁場強度である。
磁場を変化させて、磁気偏向と電気偏向が同じになったとき、 これは以下のように簡略化できます。電気的な偏向は別途測定され、ΘとHが得られた。Fとlは既知であったので、m/eを計算することができた。
陰極線は負の電荷を帯びており、あたかも負に帯電しているかのように静電気力によって偏向され、また、これらの光線の経路に沿って移動する負に帯電した物体に作用するのと全く同じように磁力が作用することから、私はそれらが物質の粒子によって運ばれる負の電荷であるという結論から逃れることはできないと考えています。
— JJ トムソン[ 33 ]
これらの粒子の発生源について、トムソンは陰極付近のガス分子から発生したと考えた。
陰極近傍の非常に強い電場において、気体の分子が解離して、通常の化学原子ではなく、これらの原始的な原子（便宜上、微粒子と呼ぶことにする）に分裂する場合、そしてこれらの微粒子が電荷を帯びて電場によって陰極から放出される場合、それらは陰極線と全く同じように振る舞うだろう。
— JJ トムソン[ 47 ]
トムソンは、原子は正電荷の海の中で軌道を回るこれらの微粒子で構成されていると想像した。これが彼の「プラムプディングモデル」である。しかし、後に彼の教え子であるアーネスト・ラザフォードが、正電荷は原子核に集中していることを示すことで、このモデルは誤りであることが証明された。
1905年、トムソンはカリウムの自然放射能を発見した。[ 48 ]
1906年、トムソンは水素原子には電子が1個しかないことを証明した。それまでの理論では、電子の数は様々であった。[ 49 ] [ 50 ]
1916年から1918年にかけて、トムソンは「英国首相が任命した、英国の教育制度における自然科学の位置づけを調査する委員会」の委員長を務めた。1918年に発表された同委員会の報告書は、トムソン報告書として知られている。[ 51 ]
1890年、トムソンはセント・メアリー・ザ・レス教会でローズ・エリザベス・パジェットと結婚した。ローズは、医師であり、当時ケンブリッジ大学の医学教授であったジョージ・エドワード・パジェット卿の娘で、物理学に興味を持っていた。1882年から、女性はケンブリッジ大学でのデモンストレーションや講義に参加できるようになった。ローズはデモンストレーションや講義に参加し、その中にはトムソンのものもあり、それが二人の関係につながった。[ 52 ]
彼らには2人の子供がいた。1人は電子の波動性に関する研究でノーベル賞を受賞したジョージ・パジェット・トムソン、もう1人はジョーン・パジェット・トムソン（後にチャーノック） [ 53 ]で、児童書、ノンフィクション、伝記などを執筆する作家となった[ 54 ] 。
1927年11月、トムソンはケンブリッジのレイズ・スクールに、彼の名にちなんで名付けられたトムソン・ビルディングを開設した。[ 69 ]
1991年、彼の功績を称え、質量分析における質量電荷比を測定する単位としてトムソン（記号：Th）が提案された。[ 70 ]
ケンブリッジ大学のウェストケンブリッジキャンパスにあるJJトムソン通りは、トムソンにちなんで名付けられました。[ 71 ]
国際質量分析財団が後援するトムソン・メダル賞は、トムソンにちなんで名付けられました。[ 72 ]
物理学会のジョセフ・トムソン・メダルおよび賞は、トムソンにちなんで名付けられました。[ 73 ]
オンタリオ州ディープリバーのトムソンクレセントは、ラザフォードアベニューと繋がっています。
彼のノーベル賞受賞者には、ラザフォード、アストン、ウィルソン、ブラッグ、バークラ、リチャードソン、アップルトンなどがいる。
彼はケンブリッジのキャベンディッシュ研究所でJJトムソンの下で働いていた。
彼はケンブリッジに滞在し、そこでJJトムソン卿の指導の下、キャベンディッシュ研究所で行われていた実験研究に携わることで恩恵を受けた。
ボルンはその後、短期間ケンブリッジ大学に留学し、ラーモアとJJトムソンの下で研究を行った。
リチャードソンはケンブリッジ大学トリニティ・カレッジを1900年に卒業し、キャベンディッシュ研究所でJJトムソンの教えを受けた。
1909年末、彼はサー・J・J・トムソンの招待を受け、キャベンディッシュ研究所で助手として働くことになった。
トムソンの下でキャベンディッシュ研究所の研究学生として。
彼は電子の挙動に関する実験を行い、電子が波のように振る舞うことを示した。
JJトムソンの仮説によれば、原子は回転する電子の環のシステムで構成されている。
マーカス・チョウンは、真実は歴史書が示唆するほど単純ではないと述べている。
トムソン・メダル賞は、最初の質量分析計を開発したサー・J・J・トムソンにちなんで名付けられました。
