A vida
Foto de Thomson quando criança
Joseph John Thomson nasceu em Manchester em 18 de dezembro de 1856. Estudou e se formou, no Trinity College, Cambridge, e se tornou membro dessa instituição pelo resto de sua vida. Foi aí Professor de Física Experimental, de 1884 a 1918, tendo dado grande desenvolvimento ao laboratório Cavendish. Foi também Professor Honorário de Física da Royal Institution e membro da Royal Society em 1884 da qual foi presidente entre 1916 e 1920.
Seus primeiros trabalhos científicos seguiram na trilha aberta por Maxwell, que havia unificado a eletricidade e o magnetismo. Thomson produziu muitos resultados originais nesta direção, além de ter publicado livros didáticos importantes. Após ser nomeado professor de física experimental em Cambridge, em 1884, dedicou-se a estudar as descargas elétricas em gases a baixas pressões. Como resultado de conferências
realizadas em Princeton, em 1896, publicou o livro Descarga de Eletricidade através dos Gases (1897). Após essa viagem, desenvolveu seus brilhantes trabalhos sobre os raios catódicos que levaram à descoberta e identificação do elétron.
Depois de 1903, Thomson se dedicou novamente a analisar a estrutura do átomo e fez um modelo de estrutura atômica, estudado já nas aulas de física e química do segundo grau e denominado modelo de Thomson (ou do “bolo de nozes”: o átomo seria
constituído de uma carga positiva espalhada (o bolo) e as cargas negativas (os elétrons) seriam as nozes ali espalhadas. Este modelo, embora incorreto, foi um ponto de partida importante para os trabalhos experimentais de Ernest Rutherford que mostraram que a carga positiva está concentrada em um núcleo muito pequeno em relação ao tamanho do
átomo e, posteriormente, para o modelo de Bohr.
Thomson esteve sempre ligado a uma visão mecanicista da natureza, dentro da tradição britânica do século XIX, que tinha na construção de modelos mecânicos uma das características de sua abordagem física. Seu o objetivo último, ao longo das primeiras décadas do século XX, era a criação de um quadro unificador dos fenômenos físicos, que englobasse a matéria, o éter, a energia e o eletromagnetismo. Publicou vários livros sobre a estrutura da luz, as propriedades da matéria e sobre o elétron na química. Após 1913, contudo, sua influência científica junto aos físicos, que tinha sido muito grande, ficou bastante diminuída em função de teorias que passou a construir e defender, diferentes das geralmente aceitas. Assim, contrapôs ao modelo atômico de Rutherford-Bohr um modelo no qual os elétrons estavam em equilíbrio com as cargas positivas devido a forças eletrostáticas de atração e repulsão. Entre os químicos, especialmente na Grã-Bretanha e nos Estados Unidos, suas idéias continuaram influentes até o final da década de 20. Neste período, foi também um dos opositores do conceito de fóton, não chegando a aceitar tendo aceitado as novas e “estranhas” idéias da física quântica. Esta resistência às idéias novas por parte de velhos cientistas não é incomum, pelo contrário. Segundo outro grande revolucionário da física deste século, Max Planck, as novas idéias só se afirmam realmente quando a velha geração desaparece.
Thomson faleceu em 1940, tendo deixado uma interessante autobiografia Recordações e Reflexões, escrita em 1936. Ao longo de sua vida recebeu inúmeros prêmios científicos e condecorações, entre os quais o Prêmio Nobel, em 1906. Em 1908 foi ungido
cavalheiro pelo governo inglês e tornou-se Sir J. J. Thomson. Foi agraciado com o título de doutor honoris causa por muitas universidades de todo o mundo, entre as quais Oxford, Columbia, Göttingen, Edinburgh, Sorbonne e Princeton. Mas certamente a grande glória e o imenso prestígio que desfrutou em vida e sua glória após a morte estará para sempre ligada à esta partícula extremamente pequena: o elétron.
1856:
Nasce em Cheetam Hill, próximo de Manchester, Inglaterra, em 18 de dezembro.
1880:
Forma-se no Trinity College, Cambridge, onde ingressara em 1876. Foi o segundo colocado no exame triplos de 1880, secundando Joseph Larmor, o primeiro colocado. Logo depois ingressa como fellow no Trinity.
1881:
Analisa o efeitos elétricos e magnéticos produzidos pelo movimento de corpos eletrificados. Como Crookes, acredita que os raios catódicos são partículas de matéria carregada que se movem com grande velocidade. Introduz o conceito de massa de origem eletromagnética, possuída pelos corpos eletrificados em razão de suas cargas.
1883:
Publica seu primeiro livro, o "Tratado sobre o Movimento dos Anéis dos
Vórtices", contendo o trabalho premiado, em 1882, com o Prêmio Adams.
Volta a estudar as descargas elétricas em gases, usando como analogia a eletrólise.
É escolhido como professor de Física Experimental (da cadeira Cavendish), em Cambridge, substituindo a Lord Rayleigh. Torna-se membro da Royal Society.
1886:
Publica "Aplicação da Dinâmica à Física e à Química". Desenvolve a noção de que a eletricidade flui nos metais de maneira similar ao que ocorre nos eletrólitos.
1892:
Escreve o livro "Notas sobre Pesquisas Recentes em Eletricidade e
Magnetismo", que viria a ser conhecido como o terceiro volume de Maxwell.
Publicou posteriormente, juntamente com J. H. Poynting, o livro-texto, em quatro volumes, "Propriedades da Matéria".
1895:
Produziu o influente "Elementos da Teoria Matemática da Eletricidade e do
Magnetismo" que teve várias reedições. 1896:
Viaja aos EUA, onde faz conferências sobre a descarga elétrica em gases.
1897:
Como resultado de conferências realizadas em Princeton, escreve o livro
"Descarga de Eletricidade através dos Gases". Faz seus trabalhos mais
importantes sobre a identificação do elétron e a medida da sua razão carga-massa.
1897-1899:
Realiza várias experiências com os raios catódicos, onde mede a carga (média) individual dos corpúsculos e conclui definitivamente que sua massa é muito menor que a do átomo de hidrogênio. Identifica o corpúsculo constituivo dos raios catódicos com a carga elétrica elementar (o elétron) e analisa vários outros fenômenos onde eles aparecem.
1903:
Seu livro "Condução de Eletricidade através dos Gases" é publicado; ele seria reescrito posteriomente (1928 e 1933) em colaboração com seu filho George Paget Thomson.
1904:
Publica"Eletricidade e Matéria". Introduz o modelo do átomo que recebeu o seu nome.
1905:
Torna-se professor de Filosofia Natural da Royal Institution.
1906:
Recebe o Prêmio Nobel de Física por seus trabalhos sobre a descoberta do elétron.
1907:
Escreve os livros "A Teoria Corpuscular da Matéria "e "A Estrutura da
Luz". 1908:
É ungido cavalheiro, recebendo o título de Sir.
1909:
Começa a estudar a natureza da eletricidade positiva, seu último grande trabalho experimental que se estenderia por vários anos.
1912:
Recebe a Ordem do Mérito.
Publica "Raios de Eletricidade Positiva e suas Aplicações à Análise
Química". 1915:
É eleito Presidente da Royal Society.
1918:
Torna-se Master de seu antigo Trinity College.
1919:
Renuncia a sua cátedra em Cambridge, sendo substituído por Ernest Rutherford.
1923:
Escreve"O Elétron na Química", que influencia muitos químicos, em
particular os norte-americanos. Propõe alternativas ao modelo atômico de Bohr e às idéias quânticas.
1936:
Publica sua autobiografia "Recordações e Reflexões".
1940:
Falece no dia 30 de agosto, em Cambridge, Inglaterra.
A obra
1883 - Tratado sobre o movimento dos anéis dos vórtices. 1886 - "Aplicação da Dinâmica à Física e à Química".
1892 - "Notas sobre Pesquisas Recentes em Eletricidade e Magnetismo". Também
publica os quatro volumes de "Propriedades da Matéria".
1895 - "Elementos da Teoria Matemática da Eletricidade e do Magentismo". 1897 - "Descarga de Eletricidade e do Magnetismo".
1903 - "Condução de Eletricidade através dos Gases". 1904 - "Eletricidade e matéria".
1907 - "A Teoria Corpuscular da Matéria". Também publica o livro "A Estrutura da
Luz".
1913 - "Raios de Eletricidade Positiva e suas Aplicações à Análise Química". 1923 - "O Elétron na Química".
Na época de Thomson, os físicos estavam fascinados pelos raios catódicos e
trabalhavam arduamente para entender sua natureza. Alguns pensavam que os raios deveriam ser uma forma de luz por que eles tinham várias das propriedades da luz: eles viajavam em linha reta, produziam alterações químicas e brilho fluorescente exatamente como faz a luz. Assim, os raios catódicos seriam ondas eletromagnéticas de freqüências maiores ou menores do que as da luz visível.
Entretanto, campos magnéticos não desviam a luz como o fazem com os raios
catódicos. Como um magneto defletia os raios catódicos da mesma forma como defletia cargas negativas, alguns físicos acreditavam que os raios catódicos consistiam em partícula carregadas negativamente.
A controvérsia sobre a natureza ondulatória ou corpuscular dos raios durou 25 anos. Finalmente, em 1897, J.J. Thomson fez uma série de experimentos que convenceram os físicos de que os raios catódicos eram partículas carregadas negativamente.
Sabia-se que as trajetórias de partículas carregadas eram afetadas tanto por campos magnéticos como por campos elétricos. Assumindo que os raios catódicos eram
partículas carregadas negativamente, Thomson pôde prever o que aconteceria aos raios catódicos quando eles passassem através de tais campos. Por exemplo, a deflexão por um campo magnético poderia ser exatamente balanceada por um campo elétrico com dada direção e magnitude. Essas predições foram verificadas e Thomson pôde concluir que os raios catódicos realmente agiam como partículas carregadas. Eles, então, pôde calcular, a partir de dados experimentais, a razão de carga de uma partícula por sua massa. Essa razão é denotada por q/m (onde q é a sua carga e m é a sua massa). Para aqueles que estiverem interessados em detalhes do experimento e dos cálculos de Thomson, clique aqui.
Thomson encontrou que os raios vindos de catodos feitos de materiais diferentes tinham o mesmo valor de q/m. Esse valor era cerca de 1800 vezes maior do que os valor de q/m para os íons de hidrogênio, que já havia sido medido em experimentos de eletrólise. Assim, Thomson concluiu que as partículas dos raios catódicos ou tinham uma carga muito maior ou tinham um tamanho muito menor do que os íons de hidrogênio. As partículas carregadas negativamente de Thomson foram mais tarde chamadas de
elétrons. Ele também fez medidas das cargas dessas partículas com outros métodos que
não os que envolviam deflexões por campos elétricos e magnéticos. Embora esses experimentos fossem imprecisos, eles eram bons o suficiente para indicar que a carga de uma partícula do raio catódico não era muito diferente da carga do íon de hidrogênio na eletrólise. Portanto, ele pôde concluir que os raios catódicos eram compostos por partículas de massa muito menor do que a dos íons de hidrogênio.
O nome elétron já havia sido proposto anteriormente por J. Stoney, como uma unidade de carga elétrica, pois não se sabia, antes de Thomson, que havia uma partícula com essa carga. A descoberta do elétron por Thomson foi fundamental, pois a partir daí começaram realmente a se desenvolver nossos conhecimentos da estrutura atômica. Esse trabalho de Thomson foi reconhecido através do Prêmio Nobel que recebeu em
1906.
Se você quer saber mais sobre a evolução do eletromagnetismo e do modelo do elétron, veja esta página.
