کوچک ترین ذره

 

جوزف جان تامسن

یکی از معیارهای سنجش کمال بشری گرفتن جایزه نوبل است. جوزف جان تامسن در سال 1906 موفق به دریافت این جایزه شد. حتی اگر به شخصه هم دانشمند بزرگی نمی شد شایسته دریافت چنین جایزه بزرگی بود چون او به عنوان یک مربی و معلم، دانشمندان بی شماری را برای سراسر عالم تربیت کرد و هشت نفر از شاگردان او به دریافت جایزه نوبل موفق شدند.
جوزف تامسن در 18 دسامبر 1856 در نزدیکی منچستر انگلستان به دنیا آمد. پدرش آثار و کتاب های قدیمی خرید و فروش می کرد و این کار شغل موروثی و خانوادگی آن ها بود. خانواده او زمینه کمی در علم داشتند. عمویش به مطالعه گیاه شناسی و هواشناسی علاقه مند بود ولی هیچ گونه وابستگی علمی دیگری نداشت.
جوزف اشتیاق فراوانی به خواندن داشت و دانش آموز خوبی بود و خانواده اش معتقد بودند رشته مهندسی برای او شغل مناسبی خواهد بود. در چهارده سالگی او را به کالج اونز فرستادند که امروز دانشگاه ویکتوریا نام دارد. دو سال بعد هنگامی که پدرش درگذشت، دوستانش وسایل در دانشگاه ماندن او را فراهم کردند. خوشبختانه بورس تحصیلی جان دالتون نصیب جوزف شد و با استفاده از آن به تحصیلش در کالج ادامه داد.
تامسن در نوزده سالگی دوره مهندسی خود را تمام کرد و مستقیماً به کالج ترینیتی دانشگاه کیمبریج رفت و در آن جا از هزینه تحصیلی استفاده کرد. بزرگ ترین حادثه در دانشگاه کیمبریج مسابقه ریاضی بود که بین دانشجویان ترتیب می دادند. تامسن خوب از عهده آن امتحان برآمد و نفر دوم شد. یعنی دارای همان امتیازی بود که جیمز مکسول چند سال قبل از او کسب کرده بود.
تامسن مانند مکسول، استعداد ریاضی خود را در راه مطالعه تئوری های فیزیکی به کار برد. تامسن آزمایشگر ماهری نبود. دست هایش ورزیده نبود و چند سال قبل در اثر همین عدم ورزیدگی قدرت بینایی اش را در آزمایشگاه شیمی از دست داده بود. ولی در هر حال عقیده داشت که فیزیک نظری بدون عمل فایده ای نخواهد داشت.
تامسن در 1881 مقاله ای علمی نوشت که مقدمه تئوری اینشتین بود. در آن مقاله او ثابت کرد که ماده و انرژی هر دو برابرند. در آن موقع او فقط بیست و چهار سال داشت.
پس از اخذ درجه فارغ التحصیلی به عضویت کالج ترینیتی درآمد و در آزمایشگاه های کوندیش به تحقیقات علمی پرداخت. در سال 1884 لرد ریلی، رئیس آزمایشگاه، تصمیم گرفت استعفا بدهد. او تامسن بیست و هشت ساله را به جانشینی خود تعیین کرد. این انتخاب غوغایی به پا کرد. اگرچه کسی در توانایی و لیاقت تامسن تردید نداشت ولی جوانی و سن او را مناسب برای آن مقام نمی دانستند. انتخاب لرد ریلی خیلی بجا بود. تامسن مدت سی و چهار سال در آن مقام بود و آزمایشگاه را به صورت یکی از مؤسسات ممتاز تحقیقاتی دنیا درآورد.
تامسن نه تنها کار زندگی خود را در آزمایشگاه یافت، بلکه شریک زندگی خود را نیز در همان جا پیدا کرد. او چندان اعتقادی به کارهای علمی زنان نداشت. او درباره زن جوانی که روزگاری در جلسات سخنرانی های علمی او شرکت می کرد نوشت: «من متأسفم که او یک کلمه از حرفهای علمی مرا نمی فهمد و به نظرم او گفته های مرا نصایح دینی فرض می کند و هنوز متوجه اشتباه خود نشده است.» در سال 1890 با دوشیزه رز پگت که در جلسات سخنرانی علمی او شرکت می کرد ازدواج نمود و در سال 1892 صاحب فرزندی به نام جورج پگت تامسن شد.
در سال 1897 جوزف تامسن لقب پدر الکترون را گرفت. او این ذره کوچک را کشف کرد و تئوری طبیعت الکتریکی ماده را به وجود آورد. ترکیب اشعه کاتدی آن وقت ها مورد توجه بود. این همان اشعه ای بود که کروکس کشف کرده بود البته با تخلیه یک ولتاژ قوی در یک حباب شیشه ای که هوای آن را خالی کرده بود. حباب کروکس همان بود که رونتگن با استفاده از آن اشعه ایکس (X) را پیدا کرد.
در آن زمان دو نظریه موجود بود و هر دو طرفدارانی داشتند. تامسن معتقد بود که اشعه کاتد از ذرات الکتریکی تشکیل شده است. نظریه مخالف این بود که اشعه کاتدی و ذرات الکتریکی با هم تفاوت دارند. اگرچه اشعه کاتدی هنگام برخورد با حباب تولید روشنایی می کرد ولی البته الکترون ها را نمی شد دید.
تامسن دستگاهی به کار برد که در آن اشعه کاتدی از قطب کاتد صادر می شد و با علامت K مشخص می شد. اشعه از یک شکاف باریک که به قسمت A مربوط می شد عبور می کرد و یک سطح فسفرسانس در حباب شیشه ای به وجود می آمد. او آهن ربایی را نزدیک حباب قرار داد و در اثر آن لکه های فسفرسانس حرکت کرد و نشان داد که اشعه خم می شود. آهن ربا را با دست حرکت داد طوری که اشعه به طرف شکافی که روی غلاف قرار داشت منحرف شد. با اتصال الکتروسکوپی به الکترود گیرنده، انحراف به خوبی دیده می شد. تامسن گفت که این امر نشان می دهد که جنس اشعه کاتدی، الکتریسیته منفی است.
ولی این آزمایش مخالفان را قانع نکرد. می گفتند اگرچه اشعه کاتدی با آهن ربا منحرف می شود ولی به وسیله میدان الکترواستاتیک منحرف نمی شود. میدان الکترواستاتیک از نوع همان حوزه الکتریکی است که اگر جسم کائوچویی را به پارچه پشمی مالش دهند در همان جسم ایجاد می شود و باعث جذب ذرات کاغذ به کائوچو می گردد. هاینریش هرتس در این راه کوشید ولی نتوانست اشعه ی کاتدی را به یاری حوزه ی الکترواستاتیک منحرف سازد. تنها یک راه وجود داشت و آن این که شاید خلأ به حد کافی نبود و یا شاید گازی در حباب بود که امکان می داد جریان الکتریسته بین این صفحات صاف عبور کند و اثر الکترواستاتیک را خنثی نماید. حباب را تخلیه کردند و باز هم آزمایش شروع شد.
در این حالت اشعه کاتدی منحرف شد. تامسن قبلاً نشان داده بود که اشعه ی کاتدی به وسیله ی میدان مغناطیسی منحرف می شود و حالا نیز به وسیله ی میدان الکتریکی منحرف می شد. تنها معنی این مسئله چنین می توانست باشد: اشعه کاتدی اصلاً اشعه نیست، بلکه جریانی از ذرات باردار الکتریکی است.
تامسن به مطالعه درباره جرم نسبی ذره منفی ادامه داد. ذره منفی را الکترون می نامیم. او ملاحظه کرد که جرم این ذره الکتریکی تقریباً # جرم اتم هیدروژن است. در عین حال سرعت الکترون را تعیین نمود که 257440 کیلومتر در ثانیه بود.
البته امروز ما با ساختمان الکترون ها آشنا هستیم. بیشتر تحقیقاتی را که تامسن انجام داده بود امروز می توان در وسیله سرگرمی جالبی به نام دستگاه تلویزیون مشاهده کرد. در حقیقت صفحه و حباب تصویر همان حباب شیشه ای اشعه کاتد است که ذرات الکتریکی به سرعت منحرف شده ایجاد تصویر می کنند. عمل انحراف این جا نیز عیناً نظیر آزمایش تامسن صورت می گیرد یعنی با ایجاد میدان های الکترواستاتیک و میدان آهن ربایی تحقق می یابد.
اما در سال 1897، برای پذیرش تئوری الکترون، چندان رغبت نشان ندادند و تامسن پیشنهاد کرد که از ذرات عکس برداری کنند. ولی چگونه؟ چطور می توان از ذره ای که دوهزارم جزء هیدروژن بوده و با سرعت 257440 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند عکس برداری کرد؟
این مسئله ای بود که تامسن راه حل آن را به چارلز ویلسن، دانشجویش، پیشنهاد کرد. ویلسن تحقیقات جالبی درباره مه کرده بود. معلوم است که هوای گرم بیشتر از هوای سرد قدرت جذب رطوبت را دارد. اگر هوای گرم و پر از رطوبت ناگهان سرد شود قطرات ریزی از آب تشکیل می شود ولی در داخل هر قطره آب، ذره غباری وجود خواهد داشت. اگر این غبار نباشد آب، کندانسه (فشرده) نخواهد شد و مه تشکیل نمی گردد.
ویلسن از این نظریه برای تعقیب فرضیه الکترونی تامسن استفاده کرد. او وسیله ای ساخت که به یاری آن می توانست به سرعت رطوبت و ذرات اتمی در داخل آن بسازد.
او چندین سال برای تکمیل دستگاه خود کوشید و سرانجام در سال 1911 «اتاقک ابر» را تمام کرد. هنگامی که ذرات اتمی در داخل اتاقک پرتاب می شدند میلیون ها مولکول هوا یونیزه می شد و بخار آب روی این یون ها جمع می گردید (یون عبارت است از اتم یا مولکولی که یک یا دو الکترون از دست داده باشد) تشکیل خطوط ابری این اتاقک را می توان مانند بخار خط سیر هواپیمای جت عکس برداری نمود و ذره الکتریکی را از روی مسیرش تشخیص داد. اتاقک ویلسن هنوز هم برای تشخیص انواع ذرات اتمی مورد استفاده قرار می گیرد. ویلسن به سبب این کشف بعد از شانزده سال به دریافت جایزه نوبل موفق شد.
کار در این جا تقریباً تمام شد. ذره منفی که تامسن کشف کرده بود وزن شد، سرعتش تعیین گردید و به عبارتی از آن عکس برداری هم به عمل آمد. در این موقع نام آن را الکترون نهادند. تمام مسائل علم الکترونیک بر همین مبنا قرار دارد.
در اواخر جنگ جهانی اول، سر جوزف تامسن از کار خود در آزمایشگاه های کوندیش دست کشید و رئیس کالج ترینیتی شد. ارنست راذرفرد، شاگرد سابق تامسن، که به خاطر تحقیقاتش در زمینه شیمی ذرات رادیواکتیو جایزه نوبل برده بود، به جای تامسن به ریاست آزمایشگاه ها تعیین شد. تامسن که از این جریان خوشحال بود بیشتر شادمان گشت هنگامی که در سال 1973 شنید پسرش، جورج پگت تامسن، به خاطر کشف دیفراکسیون (تفرق) الکترون ها به وسیله بلورها جایزه نوبل در فیزیک نصیبش شد.
جوزف جان تامسن در سال 1940 در هشتاد و چهارسالگی درگذشت. او نابغه ای بود که نظریه اش درباره ذرات الکتریکی تمام مواد، فرضیه تغییرناپذیری اتم را از بین برد. او انسان بزرگی بود که علاقه اش به انسان ها و شاگردانش سبب شد آنان نیز کارهای بزرگی انجام دهند. او معلم بزرگی بود و کتاب های ارزنده ای درباره فیزیک و شیمی و ریاضیات از خود باقی گذاشت.
منبع: کان، فیلیپ؛ (1389) دانشمندان بزرگ، ترجمه سید مهدی امین و عباسعلی رضایی، تهران: شرکت انتشارات علمی و فرهنگی