Joseph John Thomson

Biografia • Particelle negative e scoperte positive

Joseph John Thomson nasce il 18 dicembre del 1856 a Cheetham, vicino a Manchester, da genitori scozzesi. Dopo aver studiato ingegneria presso l'Owens College, frequenta il Trinity College di Cambridge, prima di diventare, nel 1884, Cavendish Professor all'Università di Cambridge per la cattedra di fisica. Nel 1890 si unisce in matrimonio con Rose Paget, che gli regalerà due figli; nel 1894, invece, diventa direttore del laboratorio Cavendish di Cambridge, carica che manterrà fino al 1919.

Autore di numerosi lavori relativi all'elettromagnetismo di Maxwell, Thomson si dedica allo studio dell'origine dei raggi catodici, al centro del dibattito scientifico dell'epoca. Nel 1897, a due anni di distanza dalla scoperta di Perrin (che aveva dimostrato che i raggi catodici trasportano cariche negative), riesce a deviare i raggi catodici in un campo elettrico: da qui deriva la convinzione che a comporre i raggi catodici sono cariche elettriche negative, gli elettroni. Lo studioso determina le più importanti caratteristiche di queste particelle, sottoponendo i raggi catodici alla contemporanea azione di due campi: uno magnetico e l'altro elettrico; in questo modo riesce a misurare la velocità e il rapporto tra la carica e la massa.

Tenendo conto della migrazione delle goccioline di nebbia nel campo elettrico, inoltre, arriva a una prima valutazione relativa alla massa dell'elettrone. Nello stesso anno Thomson dimostra l'emissione di elettroni nell'effetto termoelettronico e nell'effetto fotoelettrico, e quindi, con la collaborazione di Ernest Rutherford, realizza un metodo di misurazione della natura della radiazioni che vengono prodotte dalle sostanze radioattive, fondato sulla ionizzazione che esse compiono in un gas.

La scoperta degli elettroni, poi, viene utilizzata per studiare il fenomeno dei gas attraversati dal passaggio di elettricità. La spiegazione trovata dal fisico consiste nella teoria della ionizzazione, che gli varrà il premio Nobel nel 1906. Tuttavia, la scoperta dell'elettrone fa sì che si riproponga la questione della struttura della materia.

Nel 1904, quindi, Thomson propone un modello di atomo composto da elettricità positiva distribuita in maniera continua, in cui su traiettorie concentriche circolari si muove una quantità di elettroni che permette di compensare la carica positiva. Benché superata dal modello atomico di Rutherford, l'ipotesi di Thomson si rivela decisamente importante in quanto pone l'attenzione sul problema delle instabilità radiative che caratterizza qualsiasi modello atomico che include elettroni fondato sulla fisica classica.

Il modello atomico di Thomson viene proposto prima che si scopra l'esistenza del nucleo atomico. Tale modello (in lingua originale, plum pudding model) si compone di una carica positiva diffusa, nella quale vengono posizionate le cariche negative, così che l'atomo sia neutro dal punto di vista elettrico. Le cariche negative vengono chiamate "corpuscoli" da Thomson; il suo modello atomico viene invece definito "a panettone", perché le cariche negative sono collocate nella carica positiva distribuita come i canditi nel panettone.

Il lavoro di Thomson compare per la prima volta nel "Philosophical Magazine" dell'edizione del mese di marzo del 1904: qui, il fisico spiega che gli elettroni all'interno della carica positiva sono liberi di ruotare su orbite stabilizzate: quando un elettrone è distante dal centro della carica positiva, viene attratto verso il centro perché all'interno della sua orbita vi è una carica positiva maggiore. Le interazioni tra gli elettroni, poi, stabilizzano gli anelli, mentre le differenze di energie delle orbite degli anelli determinano gli spettri di emissioni delle diverse sostanze. Thomson prova anche a calcolare alcune linee spettrali tra le più conosciute con il suo modello, ma senza risultati efficaci. Il modello viene confutato poi da Marsden e Geiger nel 1909, ma si dimostra comunque indispensabile in quanto precursore del modello atomico di Bohr.

Thomson, poi, nel 1912 osserva, sulla base di un esperimento non dissimile da quello impiegato per i raggi catodici, che due tipi di particelle differenti (il cui peso atomico è rispettivamente di 20 e 22) costituiscono i raggi canale del neo (questa osservazione viene concretizzata da F.W. Aston, suo assistente, che giungerà, nel 1920, alla realizzazione dello spettrografo di massa). Dopo aver scoperto gli isotopi, Thomson diventa Master del Trinity College nel 1918.

Il figlio George Paget Thomson nel 1937 riceve il premio Nobel per aver dimostrato che l'elettrone - scoperto dal padre - è di fatto,un'onda.

Joseph John Thomson muore il 30 agosto del 1940 a Cambridge: il suo cadavere è sepolto di fianco a quello di Isaac Newton nell'abbazia di Westminster.