Джо́зеф Джон То́мсон (; ) — английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы».
Наиболее значимыми его исследованиями являются: Явление прохождения электрического тока при малых напряжениях сквозь газ, облучаемый рентгеновским излучением. Исследование «катодных лучей» (электронных пучков), в результате которого было показано, что они имеют корпускулярную природу и состоят из отрицательно заряженных частиц субатомного размера. Эти исследования привели к открытию электрона (1897). Исследование «анодных лучей» (потоков ионизированных атомов и молекул), которое привело к открытию стабильных изотопов на примере изотопов неона: 20Ne и 22Ne (1913), а также послужило толчком к развитию масс-спектрометрии.
Член (1884) и президент (1915—1920) Лондонского королевского общества, иностранный член Парижской академии наук (1919; корреспондент с 1911)Les membres du passé dont le nom commence par T , иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук (1913) и почётный член Российской академии наук (1925).
Биография Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в вблизи Манчестера в семье Джозефа Джеймса Томсона и его жены, урождённой 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 , 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 счёте опубликовал небольшую статью «Experiments on contact electricity between non-conductors» в «Трудах Королевского Общества». Во время обучения в Оуэнс-колледже 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. 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 1914—1916 годах Джозеф Джон Томсон являлся президентом Лондонского общества физиковInformation from NAHSTE (Navigational Aids for the History of Science Technology & the Environment)..
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 учёным и источником вдохновения для многих исследователей.
С 1921 по 1923 год Дж. Дж. Томсон занимал пост президента Института физики.
Умер Томсон в Кембридже 30 августа 1940 года в возрасте 83 лет.
Научная деятельность
Исследование проводимости газов Его ранние исследования разряда электричества через газы были очень разнообразны. Он искал отправную точку, с которой он мог бы начать адекватное теоретическое обоснование большому массиву получаемых экспериментальных данных.
Основная сложность исследований в этой области была связана с наличием металлических электродов, и Томсон считал, что если бы электрический разряд был получен без использования электродов (а значит, и без побочных процессов, протекающих на поверхности контакта электродов с газом), то такой эксперимент мог бы стать отправной точкой для объяснения этого явления. Это соображение являлось основой исследования безэлектродного разряда. Эти исследования дали важный экспериментальный метод, который был использован в различных направлениях, в частности для исследования послесвечения в газах и различных спектральных исследований, однако как метод исследования механизма разряда он оказался, в сущности, бесполезным в силу прерывистого характера индуцированного разряда, что затрудняет количественные измерения. Томсон проводил много времени, изучая электролиз пара и определяя кажущуюся скорость, с которой свечение распространяется вдоль длинной вакуумированной трубки. Однако эти исследования также не оправдали ожиданий. Наиболее результативный период исследований Томсоном электрического разряда начался с открытием рентгеновского излучения в 1896 году.
Экспериментируя с ним, Томсон вскоре обнаружил, что газы, на которые воздействует рентгеновское излучение, начинают пропускать электричество под действием малого приложенного напряжения. Этот тип проводимости был явно отличен от того, который имел место при прохождении искры, поскольку искра всегда требует напряжения как минимум в 300 вольт при наиболее благоприятных условиях, тогда как проводимость под действием рентгеновского излучения наблюдается при значительно меньшем напряжении. Открытие проводимости этого типа было сделано одновременно и в других лабораториях, но именно в Кавендишской лаборатории был разгадан его механизм. Томсон совместно с Резерфордом опубликовал важную статью, в которой было показано, что функцией рентгеновского излучения было высвобождение заряженных ионов из газа, движущегося под действием приложенного напряжения, и, таким образом, создание переносчиков заряда. Если излучение отключалась, эти ионы рекомбинировали с образованием нейтральных молекул. С другой стороны, при наличии рентгеновского излучения проходящий ток зависел от приложенного напряжения. Если оно было мало, ионы двигались медленно, преодолевая сопротивление окружающего воздуха, и протекал лишь небольшой ток, а большинство образующихся ионов разряжались путём рекомбинации. Если приложенное напряжение было значительным, движение ионов становилось столь быстрым, что они не успевали рекомбинировать до достижения электродов. В этом случае все образующиеся под действием излучения ионы были задействованы в переносе заряда и не расходовались в результате рекомбинации, а получаемый ток достигал максимального значения, и дальнейшее увеличение напряжения в этих условиях не могло его увеличить. Такой максимальный ток был назван Томсоном «током насыщения» («saturation current») и до сих пор носит это название. При увеличении расстояния между электродами ток насыщения также увеличивался. Такое поведение не соответствовало данным по электропроводности металлов или растворов электролитов и составляло убедительное доказательство правильности интерпретации этого феномена.
Вскоре после этого другими сотрудниками лаборатории, включая Резерфорда и , была найдена абсолютная скорость ионов в воздухе под действием градиента потенциала, которая, как и предполагалось, оказалась пропорциональна приложенному напряжению.
Исследование катодных лучей, открытие электрона После объяснения механизма газового разряда в условиях рентгеновского облучения Томсон обратился к более пристальному исследованию природы катодных лучей. Этот вопрос занимал его на протяжении многих лет, и он всегда был склонен к точке зрения, защищаемой Варли и Круксом, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от взгляда немецких физиков Гольдштейна, Герца и Ленарда, считавшими, что они являются проходящими в эфире волнами. На Томсона влиял в основном тот факт, что эти лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении. Никогда до этого момента он не сомневался, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Количественно измеряя магнитное отклонение, он начал сомневаться, надёжна ли такая точка зрения, поскольку отклонение было существенно больше, нежели предсказывала эта гипотеза. Некоторые из вышеперечисленных исследователей искали электростатическое отклонение катодных лучей, но не обнаружили его в каких-либо столь же простых условиях. Томсон был склонен думать, что провал этих экспериментов объясняется проводимостью остаточного газа и, работая в условиях очень высокого вакуума, ему удалось получить электростатическое отклонение. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным по значению от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами, одновременно с передаваемым ими зарядом. В то время он ещё не был уверен в равенстве зарядов катодных частиц и атомов водорода при электролизе.