Te explicamos quién fue Joseph John Thomson, cuáles fueron sus principales aportaciones al campo de la física y qué científicos importantes del siglo XX ayudó a formar.
¿Quién fue Joseph John Thomson?
Joseph John Thomson, conocido también como J. J. Thomson, fue un destacado físico y matemático británico, descubridor del electrón y de los primeros isótopos atómicos, creador de un modelo atómico propio y ganador del Premio Nobel de Física en 1906. Fue una de las figuras clave en el desarrollo de la física contemporánea a comienzos del siglo XX.
Además de ser un destacado investigador, Thomson contribuyó a la formación de una importante generación de científicos europeos y estadounidenses, entre los que estuvieron Ernest Rutherford (1871-1937), Niels Bohr (1885-1962), Geoffrey Ingram Taylor (1886-1975), Paul Langevin (1872-1946), entre muchos otros estudiantes que pasaron por su laboratorio.
El modelo atómico de Thomson, conocido como el “modelo del budín de pasas”, revolucionó la comprensión de los átomos que se tenía hasta entonces, y sirvió de base para el desarrollo de otros modelos atómicos más precisos, como el modelo de Rutherford o el modelo de Bohr.
- Ver también: Stephen Hawking
Nacimiento y años formativos de Joseph John Thomson
Joseph John Thomson nació el 18 de diciembre de 1856 en la localidad de Cheetham Hill, perteneciente a Mánchester, en Inglaterra. Sus padres fueron Joseph James Thomson, un vendedor de libros de ascendencia escocesa, y su esposa Emma Swindells, ambos pertenecientes a la clase media liberal. Cuatro años después, la pareja tuvo otro hijo, Frederick.
Desde niño, Joseph demostró tener un enorme talento para las matemáticas y fue a dar con apenas catorce años al Owen’s College (hoy parte de la Universidad de Mánchester). Dos años después, el padre de Joseph John falleció inesperadamente, dejando a la familia en aprietos económicos. Su madre se vio obligada a vender la librería familiar y a mudarse a una casa más pequeña, por lo que apenas sobró dinero suficiente para que Joseph John siguiera estudiando.
La ciudad de Mánchester tenía entonces una importante reputación como centro del saber científico en Inglaterra. John Dalton (1766-1844) había tenido allí sus laboratorios y había sido reemplazado en la conducción de la Sociedad Literaria y Filosófica de Mánchester por el también físico James Joule (1818-1889), a quien el joven Thomson había conocido a través de su padre.
En ese contexto, Owen’s College era una institución de prestigio, con excelentes profesores, como el físico escocés Balfour Stewart (1828-1887), con quien Thomson se inició en la investigación científica. Su dominio de las matemáticas le mereció una beca académica en los años siguientes que le permitió ingresar en 1876 al Trinity College de la Universidad de Cambridge.
La vida de Thomson en Cambridge
En 1880, Thomson obtuvo su título en matemáticas y un lugar en los célebres Laboratorios Cavendish, donde recibió en 1883 el Premio Adams por su tesis de maestría. Allí se dedicó al estudio y la descripción matemática de procesos químicos y físicos, como el electromagnetismo.
Entre 1881 y 1884 publicó numerosos artículos en la materia, revisando las teorías sobre la luz del recién fallecido James Clerk Maxwell (1831-1879), y más adelante sus libros Aplicaciones de la dinámica a la física y la química (1888), Notas sobre investigaciones recientes en electricidad y magnetismo (1893) y Elementos de la teoría matemática de la electricidad y el magnetismo (1895).
En 1884, además, le fue otorgada una plaza de profesor, con la cual vino también el ingreso a la Royal Society. En los años siguientes, Thomson conoció a la que fue luego su esposa, Rose Paget, una joven estudiante en Cavendish. La pareja se casó en 1890 y estuvieron juntos cincuenta años, durante los cuales tuvieron dos hijos: George y Joan Paget Thomson.
El hijo de J. J. Thomson, George Paget Thomson (1892-1975), fue también un destacado físico británico que, siguiendo los pasos paternos, se dedicó a la investigación. De hecho, estudió también en el Trinity College de Cambridge y en 1927 recibió, junto al físico estadounidense Clinton Davisson (1881-1958), el Premio Nobel de Física.
Alrededor de 1896, Thomson visitó la universidad de Princeton y dictó allí una serie de conferencias en torno a la descarga de electricidad a través de gases, en las que expuso las teorías que al año siguiente publicó en un libro sobre la materia. Los estudios de Thomson, así como los de otros jóvenes físicos, pronto inauguraron un nuevo enfoque en esta disciplina científica.
El descubrimiento del electrón
A finales del siglo XIX, la comunidad científica invertía grandes esfuerzos en el estudio de las relaciones entre energía y materia. Se conocía y aceptaba ya la existencia de los átomos, pero se desconocía su estructura interna y la existencia de partículas subatómicas. Esto cambió cuando en 1897 Thomson demostró experimentalmente la existencia de los electrones.
Ya en 1874 el físico británico George Johnstone Stoney (1826-1911) había propuesto la existencia de una partícula básica de la electricidad, es decir, una unidad elemental de la corriente eléctrica, a la cual llamó electrón. Por otro lado, gracias a Michael Faraday (1791-1867) se conocían los átomos cargados eléctricamente o iones (aniones y cationes), y se experimentaba intensamente con la electricidad.
En este contexto, Thomson inició sus experimentos con tubos de Crookes, dispositivos de vidrio en cuyo interior se estudiaba la electricidad en el vacío. Para ello se hacía interactuar un rayo de Lenard (hoy en día conocido como rayo catódico, o sea, generado por un electrodo negativo) con placas metálicas que permitían producir un campo eléctrico, y así observar su comportamiento.
Thomson notó que el campo eléctrico reaccionaba con las placas cargadas positivamente, lo cual demostraba su correspondiente carga negativa, a la vez que algo inesperado impedía que fuera absorbido por ellas. Esto evidenciaba la presencia de lo que llamó “un corpúsculo”, esto es, una masa capaz de ejercer una cierta inercia y que constituía, por lo tanto, a los rayos eléctricos.
Thomson se dedicó a calcular la carga y la masa de estas partículas, que resultaron ser 1000 veces más pequeñas y livianas que un átomo de hidrógeno. Sumasa, sin embargo, era constante sin importar el tipo de átomos que estuvieran involucrados en el experimento. Cuando se dieron a conocer, estos “corpúsculos” de Thomson se denominaron, formalmente, “electrones”.
- Ver también: Átomo
El modelo atómico de Thomson
A partir del descubrimiento de los electrones y la comprobación de su masa y tipo de carga, Thomson formuló un modelo atómico que le dio sentido a estas experiencias. Es importante tomar en cuenta que los neutrones y protones no habían sido aún descubiertos, así que su modelo fue muy simple.
Thomson supuso que los átomos estaban compuestos por estos corpúsculos de carga negativa que acababa de descubrir, adheridos a un cuerpo más amplio que forzosamente debía tener una carga positiva de la misma intensidad, dado que los átomos no presentan una carga eléctrica definida. Esta manera de imaginarlo se popularizó como el “budín con pasas”.
La lógica de Thomson, sustentada en las experiencias de científicos anteriores como William Thomson (1824-1907), conocido como “Lord Kelvin”, proponía que los electrones giraban más o menos libremente en torno a un cuerpo de carga positiva, y que al alejarse de él incrementaban su carga positiva, siendo, por lo tanto, atraídos nuevamente hacia el centro.
Este modelo atómico fue propuesto formalmente por Thomson en 1904, y aunque presentaba numerosas limitaciones, respondía también a los más recientes experimentos en materia de física atómica.
Fue, además, sumamente útil para la labor docente de Thomson, en especial para sus alumnos doctorales Ernest Rutherford (1871-1937) y Niels Bohr (1885-1962), quienes luego propusieron sus propios y más completos modelos atómicos. De hecho, los experimentos de Rutherford con láminas de oro buscaron comprobar el modelo de Thomson, pero acabaron planteando las razones para una nueva mirada sobre los átomos.
El Premio Nobel y otros aportes científicos de Thomson
Los hallazgos de Thomson pronto fueron reconocidos y aceptados por la comunidad científica. Sobre todo luego de que dictara en 1903 una serie de conferencias en la Universidad de Yale, donde expuso su visión de las partículas subatómicas y de la composición de la luz. Muchas de sus perspectivas se adelantaron a la teoría fotónica de Albert Einstein (1879-1955).
Durante esos años recibió numerosos reconocimientos: las medallas Hodgkins y Hughes en 1902, el Premio Nobel de Física en 1906 y en 1908 fue nombrado caballero británico. En 1912, además, fue nombrado en la Orden de Mérito. Ese mismo año, por otro lado, fue nombrado director del Trinity College, donde realizó importantes contribuciones administrativas y continuó sus labores docentes e investigativas. Bajo su tutela se formaron siete Premios Nobel de Física.
Aunque sus investigaciones no fueron interrumpidas por el estallido en 1914 de la Primera Guerra Mundial, Thomson jugó un rol importante en la conducción de la investigación científica con fines bélicos. Además, durante esos años, obtuvo otros hallazgos de importancia: basándose en las experiencias del físico alemán Wilhelm Wien (1864-1928), descubrió la manera de obtener rayos positivos y los empleó para formular el primer espectrómetro de masas de la historia.
Con este aparato, Thomson deseaba medir la relación entre masa y carga de los electrones, pero al aplicarlo a distintos tipos de átomos descubrió que podía usarse para separar átomos según su masa. Así, descubrió la existencia de los isótopos atómicos, es decir, variantes atómicas de un mismo elemento, que actúan de manera similar pero difieren en su masa. Los primeros isótopos detectados mediante este método fueron el neón-20 y el neón-22.
Estos y otros resultados experimentales fueron expuestos en sus principales publicaciones de la época: Conducción de electricidad a través de los gases (1903), Sobre la estructura del átomo (1904), Electricidad y materia (1905), Teoría corpuscular de la materia (1908) y Rayos de energía positiva (1913).
En los años siguientes, Thomson continuó cosechando reconocimientos: en 1914 le fue otorgada la Medalla Copley, en 1915 la Medalla Albert, en 1922 la Medalla Franklin y en 1925 la Medalla Faraday.
La muerte de Joseph John Thomson
Joseph John Thomson falleció en Cambridge, el 30 de agosto de 1940, a la edad de 83 años. Hasta ese instante continuó a la cabeza del Trinity College y es recordado como una de sus más prominentes figuras. Su cuerpo fue sepultado con honores en la Abadía de Westminster, en Londres, en las inmediaciones de la tumba de Isaac Newton (1643-1727).
Su nombre continúa siendo un referente central en la historia de la física contemporánea y especialmente en la comprensión de la naturaleza del átomo. En su honor, además, se nombró el cráter lunar Thomson.
Referencias
- Davis, E. A., Falconer, I. (2002). J.J. Thompson And The Discovery Of The Electron. CRC Press.
- Museo Virtual de la Ciencia del CSIC. (2007). Breve Historia de la Radiactividad (IV). https://museovirtual.csic.es/
- Paget Thomson, G. (2023). J. J. Thomson (British physicist). The Encyclopaedia Britannica. https://www.britannica.com/
- The Nobel Foundation. (2023). J. J. Thomson - Biographical. https://www.nobelprize.org/
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