160 שנה להולדתו של ג'וזף ג'ון תומסון, מתמטיקאי שהיה לפיזיקאי והוכיח ראשון את קיומם של חלקיקים תת-אטומיים

ג'וזף ג'ון תומסון (Thomson) היה פיזיקאי אנגלי, מחלוצי המחקר של גרעין האטום. מסעו האקדמי נע בין דיסציפלינות רבות ובין תיאוריה לניסויים, אך בכל מקום שאליו הגיע הוא בלט והבריק. עבודתו העניקה השראה לפיזיקאים רבים והוא הנחה והדריך כמה מהמדענים החשובים של דורו.

תומסון נולד ב-18 בדצמבר 1856 במנצ'סטר שבאנגליה. את השכלתו המוקדמת רכש בבתי ספר פרטיים, וכבר אז גילה עניין עמוק במדע וסומן ככישרון מבטיח. כשהיה בן 14, החל ללמוד הנדסה בקולג' אוונס (היום אוניברסיטת מנצ'סטר), במה שתיאר לאחר מכן כחוויה מכוננת בחייו. אביו מת ב-1873 ואמו לא יכלה לתמוך בו כלכלית בזמן התמחותו, וכך נקטע מסלול חייו כמהנדס.

בקולג' הכיר תומסון שני מדענים צעירים שהציעו לו להמשיך ללמוד שנה נוספת, הפעם מתמטיקה ופיזיקה, ולהגיש מועמדות למלגה באוניברסיטת קיימברידג’. ב-1876 הוא אכן זכה במלגה והחל בלימודי התואר הראשון בקולג' טריניטי בקיימברידג'. גם שם התעניין במיוחד במתמטיקה ובפיזיקה, ובניגוד לתלמידים אחרים הלך גם להרצאות מתקדמות ומעמיקות יותר.

עד מהרה הכירו גם מוריו בכישוריו, ובעידודם הוא פרסם סדרת מאמרים במתמטיקה, באופן חריג לסטודנט לתואר ראשון. מאמריו עסקו בגלגולי אנרגיה, והוא העלה את הסברה שכל אנרגיה אפשר לתרגם לאנרגיה קינטית. ב-1880 קיבל תואר ראשון במתמטיקה.

תומסון המשיך ללימודי תואר שני והצטרף למעבדת קוונדיש במחלקה לפיזיקה בקיימברידג'. למרות הסביבה הניסיונאית, המשיך להתמקד במתמטיקה ובתיאוריה. הוא התעניין במיוחד באלקטרומגנטיות ופרסם כמה מאמרים שתרמו להבנת תופעות בתחום. בעבודת המאסטר התמקד בתיאוריית אטום המערבולת של לורד קלווין (ויליאם תומסון), ותיאר מתמטית את תנועותיו. ב-1883 קיבל תואר שני במתמטיקה.

במהלך לימודיו בקוונדיש כתב תומסון שתי עבודות פורצות דרך. הראשונה עסקה בשחרור מטען חשמלי בגזים – הוא פרסם עבודה תיאורטית שתיארה שחרור מטען חשמלי בגז כהפרעה בשדה החשמלי של מתחים לאורך צירי כוח. עבודתו השנייה הייתה בתחום הפיזיקה הכימית ועסקה באופי התנועה של אטומים בתרכובות שנמצאות במצב צבירה גזי בטמפרטורת החדר. 


חוקר פורץ דרך ומורה משובח. תומסון. למעלה: שפופרת הריק של תומסון | מקור: ויקיפדיה, Science Photo Library

גילוי האלקטרון 

ב-1884 התקבל תומסון לחברה המלכותית של לונדון. באותה שנה מונה לפרופסור בכיר לפיזיקה באוניברסיטת קיימברידג’, מינוי חריג בהתחשב בהכשרתו כמתמטיקאי, גילו הצעיר וניסיונו המועט ביחס למתחרים. בניגוד לקודמיו, שהייתה להם השכלה פורמלית בפיזיקה, תומסון היה צריך להוכיח את עצמו כפיזיקאי מן השורה הראשונה. למוניטין שיבנה לעצמו הייתה חשיבות רבה להתפתחותה של מעבדת קוונדיש כמכון מחקר.

תומסון עמד היטב בציפיות הגבוהות שהיו ממנו ופרסם בתוך עשור עבודות וספרים רבים, שבהם אפשר היה היה לצפות במעבר ההדרגתי שעשה מפיזיקאי תיאורטי שעבודותיו ממוקדות בצד המתמטי לפיזיקאי ניסיונאי שניתח וחקר את תוצאות הניסויים שערך בעצמו, ולא את אלו של ניסיונאים אחרים, כפי שעשה בתחילת דרכו.

בתקופה ההיא העלו מדענים את האפשרות שהאטום מורכב מחלקיקים יסודיים יותר, אך הם הניחו שגודלם של החלקיקים הללו יהיה דומה לגודלו של האטום הקטן ביותר, המימן. ב-1897 היה תומסון הראשון שהציע כי האטום מורכב מחלקיקים הקטנים ממנו פי אלף ויותר, שלימים ייקראו "אלקטרונים".

את ההשערה הוא אימת בניסוי שבו חקר את התקדמותן של קרני קתודה, כלומר זרם של חלקיקים שנפלט מאלקטרודה טעונה שלילית. הוא גילה שהקרניים נעות רחוק יותר באוויר מהמרחק שהן היו אמורות לעבור אילו החלקיקים היו בגודל אטומי. המסקנה הייתה שהן מורכבות מחלקיקים קלים יותר מאטומים.

לאחר מכן, בסדרת ניסויים שנועדו לחשב את מסת החלקיקים מצא תומסון שמסת החלקיקים המרכיבים את קרני הקתודה קטנה פי אלף ממסת האטום, ושהיא הייתה קבועה, בלי קשר לסוג האטומים שממנו הגיעו הקרניים. התגליות הללו הובילו אותו לקבוע שהקרניים מורכבות מחלקיקים קלים מאוד, טעונים במטען שלילי, שהם בין אבני הבניין של האטומים. לחלקיקים האלה הוא קרא "קורפסלים" (Corpuscles), אך השם שנקלט בסופו של דבר היה "אלקטרונים", שהציע עוד קודם, ב-1891, הפיזיקאי ג'ורג' ג'ונסטון סטוני.

ב-1904 הציע תומסון את מודל האטום הראשון, שלימים נודע כ"מודל עוגת הצימוקים". לפי המודל, האטום הוא סְפֵרָה של מטען חיובי שמטענים שליליים פזורים בה (כמו צימוקים בעוגה) בהשפעת כוחות אלקטרוסטטיים. שנה לאחר מכן הוא גילה את הרדיואקטיבית הטבעית של היסוד אשלגן וב-1906 הדגים לראשונה שלאטום המימן יש אלקטרון אחד. באותה שנה קיבל תומסון את פרס נובל בפיזיקה על עבודתו בתחום המוליכות החשמלית בגזים.

ב-1912, במסגרת מחקריו שעסקו בתכונותיהן ובהרכבן של קרני חלקיקים חיוביים (קרני אנודה), תיעלו תומסון ועוזר המחקר שלו פרנסיס ויליאם אטסון זרם של יוני ניאון דרך שדות חשמליים ומגנטיים, ומדדו את ההסטה של הקרניים. הם הבחינו בשני מסלולים שונים, דבר שהעיד שקרן יוני הניאון מורכבת משני סוגים שונים של אטומים בעלי מסה שונה, כלומר שני איזוטופים. זה היה הגילוי הראשון של איזוטופים של אטומים יציבים. הדרך שבה הם הפרידו בין האיזוטופים של ניאון הייתה השימוש הראשון בשיטה שקרויה כיום ספקטרומטריית מסה, ונמצאת בשימוש תדיר במעבדות ברחבי העולם.

ב-1918 מונה תומסון למנהל קולג' טריניטי, ונשאר שם עד מותו ב-30 באוגוסט 1940. אפרו נטמן במרתף כנסיית וסטמינסטר בלונדון, לצד אייזק ניוטון, ותלמידו לשעבר ארנסט רתרפורד.

מורה ומוביל דרך

במקביל לעבודתו המזהירה בפיזיקה היה תומסון מורה משובח. חשיבותו לתחום ניכרת בתלמידים שטיפח, כמעט כמו שבמחקרים שערך בעצמו ובתגליותיו. שבעה מתלמידיו זכו גם הם בפרסי נובל, בהם ארנסט רתרפורד, שקידם משמעותית את ההבנה של מבנה האטום, ובנו ג'ורג' פג'ט תומסון, שגילה את התכונות הגליות של האלקטרון. במקביל להנחיית תלמידים במעבדה הוא הרצה לסטודנטים מתחילים וגם לפוסט-דוקטורנטים, וראה בעבודה זו שליחות, והזדמנות לבחון מחדש תפיסות שהפכו מובנות מאליהן עבורו.

מלבד תחומי העניין המגוונים שלו במדע, תומסון התעניין גם בפוליטיקה, ספרות, תיאטרון וספורט, ויותר מכל בצמחים. הוא נהנה מטיולי הליכה ארוכים בשדות ובגבעות בקרבת קיימברידג', שם תר אחר דגימות בוטניות נדירות לגן שטיפח ליד ביתו.

במידה רבה היה זה תומסון שהפך את הפיזיקה האטומית למדע מודרני. מחקרים שמנסים לעמוד על הארגון הגרעיני של חלקיקים ממשיכים להיערך עד היום, וזיהוי החלקיקים האלמנטריים במאה ה-21 היה המשך ישיר של העבודה החשובה ביותר שלו – גילוי האלקטרון.

0 תגובות