Sir Joseph John Thomson
(18 de diciembre de 1856, Manchester, Inglaterra – 30 de agosto de 1940, Cambridge, Inglaterra)
Por Roger A. Jiménez A.
Asociación Larense de Astronomía, ALDA.
Notable Físico inglés que ayudó a revolucionar el conocimiento de la estructura atómica con el descubrimiento del electrón en 1897. También descubrió la radioactividad del potasio en 1905; inventó los rayos positivos y con ello el procedimiento para separar átomos de diferente masa (espectrometría de masas) en 1911, así identificó los primeros dos isótopos del gas Neón en 1912. Fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1906.
Sir Joseph John Thomson, a menudo conocido como J. J. Thomson, nació en Cheetham Hill, un suburbio de Manchester, Inglaterra. De ascendencia escocesa, sus padres, Emma Swindells y Joseph James Thomson, este último, un librero en un suburbio de Manchester, quería que su hijo fuera ingeniero, pero no tenía el dinero suficiente para costear su educación. Así que J.J. Thomson ingresó en 1870 al Owens College (ahora Universidad de Manchester). Su ingreso fue inusual por tener solo 14 años, por lo que quedó bajo la influencia/tutelaje de Balfour Stewart, profesor de física, quien inició a Thomson en la investigación física.
Se puede decir que Thomson tuvo suerte al entrar en el Owens College. Owens era para la época, una de las pocas instituciones universitarias donde se impartían cursos de física experimental. Esto, junto a su tutelaje por Stewart, le dio la oportunidad de experimentar, y comenzó a hacerlo con la electrificación por contacto. Pronto publicó su primer artículo científico sobre sus experimentos en este tema.
En 1876 obtuvo una beca en el Trinity College de Cambridge, donde permaneció el resto de su vida. Allí obtuvo su licenciatura en matemáticas en 1880 y la Maestría en Artes en 1883. Su tesis “Treatise on the motion of vortex rings” (Tratado sobre el movimiento de anillos de vórtice), muestra su temprano interés en la estructura atómica; en esta describió matemáticamente los movimientos de la teoría de los vórtices de los átomos de William Thomson, Lord Kelvin.
La oportunidad de realizar investigaciones experimentales lo atrajo al Laboratorio Cavendish, donde comenzó a desarrollar la teoría del electromagnetismo, partiendo de lo expuesto por James Clerk Maxwell en 1855: ”la electricidad y el magnetismo están interrelacionados; los cambios cuantitativos en uno producen cambios correspondientes en el otro”.
Thomson publicó varios artículos abordando cuestiones matemáticas y experimentales del electromagnetismo; en estos profundizó en la teoría electromagnética de la luz de Maxwell, introdujo el concepto de masa electromagnética de una partícula cargada y demostró que un cuerpo cargado en movimiento aparentemente aumentaría de masa.
El rápido reconocimiento de sus trabajos y principalmente de sus logros por parte de la comunidad científica llegó en 1884 con su elección como miembro de la Royal Society de Londres y su nombramiento como profesor de la cátedra de física en el Laboratorio Cavendish. Uno de sus alumnos fue Ernest Rutherford, quien más tarde sería su sucesor en el puesto.
En 1890 se casó con Rose Elizabeth Paget, hija de sir Edward George Paget, médico, entonces Regius Profesor de Medicina en Cambridge. Con ella, fue padre de un hijo, George Paget Thomson, y una hija, Joan Paget Thomson. Su hijo se convirtió en un destacado físico, quien a su vez fue galardonado con el Premio Nobel de Física en 1937 por demostrar las propiedades de tipo ondulatorio de los electrones.
En 1897 Thomson dirigió uno de los más bellos experimentos de física de todos los tiempos y con el cual logró descubrir el "electrón", la primera partícula elemental. Además observó que esta partícula tenía carga eléctrica, masa, y determinó la relación de carga y masa.
Varios científicos, como William Prout y Norman Lockyer, habían sugerido que los átomos se formaban a partir de una unidad más fundamental e imaginaban que esta unidad tendría el tamaño del átomo más pequeño, el hidrógeno. Fue Thomson el primero en sugerir que una de las unidades fundamentales del átomo era más de 1.000 veces más pequeña que un átomo.
Thomson estuvo experimentando y llevando a cabo exploraciones sobre las propiedades de los rayos catódicos. Con su trabajo experimental demostró que los rayos catódicos podían viajar a través del aire mucho más lejos de lo esperado para una partícula del tamaño de un átomo; así mismo, estimó que la masa de los rayos catódicos eran más de 1.000 veces más liviana que el átomo de hidrógeno y que esta era la misma en cualquier tipo de átomo del que provinieran. Los resultados obtenidos lo llevaron a concluir que los rayos catódicos estaban compuestos de partículas muy ligeras y cargadas negativamente, y que constituían un componente universal de los átomos. Llamó a las partículas "corpúsculos", pero posteriormente los científicos prefirieron el nombre electrón, que había sido sugerido por George Johnstone Stoney en 1891, antes del descubrimiento real de Thomson. En conmemoración a la fecha en que expuso su descubrimiento, cada 30 de abril se celebra el aniversario del descubrimiento de la primera partícula subatómica: el electrón.
Con el descubrimiento del electrón, Thomson se planteó un modelo de la estructura del átomo, un modelo en el cual los electrones poseían cargas negativas y se encontraban del átomo, el cual poseía carga positiva.
Para principios de siglo, la mayor parte del mundo científico había aceptado plenamente el descubrimiento de gran alcance de Thomson. En 1903 tuvo la oportunidad de ampliar sus puntos de vista sobre el comportamiento de las partículas subatómicas en los fenómenos naturales cuando, en sus Silliman Lectures en la Universidad de Yale, sugirió una teoría discontinua de la luz; su hipótesis prefiguraba la posterior teoría de los fotones de Albert Einstein.
En 1904 Thomson había madurado y concebido finalmente la estructura del átomo que se planteó tras descubrir el electrón, por lo que ese mismo año propuso el segundo modelo atómico (El primero fue propuesto por Dalton en 1794). El modelo de Thomson se caracterizaba como una esfera de carga positiva en la cual se encontraban incrustados los electrones.
En 1905, Thomson descubrió la radiactividad natural del potasio. En 1906 demostró que el hidrógeno tiene un único electrón; esto permitió confirmar y rechazar diversas teorías previas sobre número de los electrones en el átomo. Ese mismo año fue galardonado con el Premio Nobel de Física en reconocimiento de los grandes méritos de sus investigaciones teóricas y experimentales sobre la conductividad eléctrica de los gases. En 1908 fue nombrado caballero; en 1909 presidente de la Asociación Británica para el Avance de la Ciencia.
Thomson inventó los rayos positivos, y en 1911 descubrió la manera de utilizarlos para separar átomos de diferente masa. El objetivo se consiguió desviando los rayos positivos mediante campos eléctricos y magnéticos (espectrometría de masas), así descubrió trabajando con el gas neón, que los átomos de un elemento pueden tener diferentes masas dependiendo de la presencia de electrones. Había descubierto de esta forma, los dos primeros isótopos del neón (el neón-20 y el neón-22).
En 1914 dio el Romanes Lecture en Oxford sobre la teoría atómica. En 1918 fue nombrado rector del Trinity College de Cambridge, donde conoció a Niels Bohr; allí permaneció hasta su muerte el 30 de agosto de 1940. Sus restos están sepultados en la Abadía de Westminster, cerca de sir Isaac Newton.
Seis de los asistentes de investigación y jóvenes colegas 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 de química.
Thomson entró en la física en un momento crítico de su historia. Después de los grandes descubrimientos del siglo XIX en electricidad, magnetismo y termodinámica, muchos físicos en la década de 1880 decían que su ciencia estaba llegando a su fin como una mina agotada. Sin embargo, ya en 1914 existía una nueva física, que planteaba, de hecho, más preguntas de las que podía responder.
Inicialmente, gran parte de los trabajos en modelado matemático de procesos químicos realizados por Thomson pueden considerarse como química computacional temprana, así lo demuestran sus tres libros: Applications of dynamics to physics and chemistry (Aplicaciones de la dinámica a la física y la química), 1888; Notes on recent researches in electricity and magnetism (Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo), 1893; y finalmente, Elements of the mathematical theory of electricity and magnetism (Elementos de la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo), 1895.
Thomson también fue un excelente conferencista, planteaba y explicaba sus teorías, trabajos y resultados con gran fluidez, haciéndose entender fácilmente según lo referían sus colegas y estudiantes. Su línea de trabajo solo se veía interrumpida cuando daba conferencias. Ejemplo de ello es una visita a la Universidad de Princeton en 1896, donde iba a dar una conferencia y termino impartiendo un ciclo de cuatro que posteriormente, en 1897 se publicaron como “Discharge of electricity through gases” (Descarga de electricidad a través de gases); caso similar en la Universidad de Yale, en 1904, donde presentó una serie de seis conferencias.
Publicaciones:
· 1883: A Treatise on the Motion of Vortex Rings, Universidad de Cambridge, Londres.
· 1888: Applications of Dynamics to Physics and Chemistry, Londres.
· 1893: Notes on recent researches in electricity and magnetism, Oxford University.
· 1895: Elements Of The Mathematical Theory Of Electricity And Magnetism, Londres.
· 1897: Cathode rays, Proceedings of the Royal Institution. Descubrimiento del electron.
· 1897: Cathode rays, Philosophical Magazine.
· 1900: Discharge of electricity through gases (en alemán). Leipzig: Johann Ambrosius Barth.
· 1901: A Text book of Physics in Five Volumes: Properties of Matter, Sound, Heat, Light, and Magnetism & Electricity., coescrito con J.H. Poynting.
· 1903: Conduction of electricity through gases, Cambridge University Press (segunda edición más completa en 1906).
· 1904: On the Structure of the Atom.
· 1904: "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," Philosophical Magazine Serie 6, Volume 7, Número 39, pp 237–265.
· 1905: Electricity and matter (en italiano). Milan: Hoepli.
· 1908: Corpuscular theory of matter (en inglés).
· 1908: Corpuscular theory of matter (en alemán). Braunschweig: Vieweg und Sohn.
· 1912: Further experiments on positive rays.
· 1913: Rays of positive electricity, Proceedings of the Royal Society. Descubrimiento de los isótopos del neón.
· 1922: Electricidad y materia, prefacio de Paul Langevin (en francés).
· 1923: The Electron in Chemistry. Filadelfia.
Premios:
· Smith's Prize for Examination Performance (1880).
· Medalla Royal (1894).
· Medalla Hughes (1902).
· Premio Nobel de Física (1906).
· Medalla Elliott Cresson (1910).
· Medalla Copley (1914).
· Medalla Albert (1915).
· Medalla Franklin (1922).
· Medalla Faraday (1925).
Legado:
· Placa conmemorativa a J. J. Thomson en la Universidad de Cambridge.
· En 1991, el thomson (Th) fue propuesto por los químicos como unidad de medida masa-carga en espectroscopia de masas. Actualmente obsoleta y fuera del Sistema Internacional.
Eponimia:
· Cráter lunar Thomson. 32,7°S 166,2°E. Diámetro: 117 km.
Referencias:
https://www.sciencehistory.org/education/scientific-biographies/joseph-john-j-j-thomson/
https://www.phy.cam.ac.uk/history/electron/autobiography
https://en.wikipedia.org/wiki/Joseph_John_Thomson
https://www.britannica.com/biography/J-J-Thomson
