Sir Joseph John (“J.J.”) Thomson

Frequentò la scuola superiore a Manchester e il suo professore di matematica lo consigliò di iscriversi al Trinity College, uno dei più prestigiosi College di Cambridge, dove passò tutta la sua vita, da studente nel 1876 fino a Preside dal 1918 alla morte.

Nel 1880 fu secondo del suo corso, dopo Joseph Larmor, ai durissimi esami per la laurea in matematica (BA), così ottenne una borsa di studio per continuare i suoi studi su modelli matematici per le forze elettromagnetiche.

Nel 1884 fu nominato Professore di Fisica Sperimentale e Direttore del Laboratorio Cavendish, succedendo a Lord Rayleigh e al fondatore J. C. Maxwell, carica che mantenne fino al 1918 quando al suo pensionamento divenne Professore Emerito dell’Università di Cambridge e della Royal Institution di Londra.

Inizialmente non aveva grande dimestichezza con gli esperimenti, ma ben presto portò il Cavendish ad un posto di preminenza assoluta nella fisica sperimentale, specialmente nel campo dell’elettromagnetismo e della fisica atomica, come testimoniato dai sette premi Nobel che premiarono suoi ricercatori. Thomson seguiva attivamente il lavoro di tutti i suoi studenti e giovani ricercatori e giornalmente controllava i loro progressi e dava suggerimenti.Tra loro era arrivato dalla Nuova Zelanda il giovane borsista Ernest Rutherford che sarà il suo successore come Direttore.

Una delle prime donne ammesse fu Rose Paget, che nel 1889 effettuava esperimenti su bolle di sapone dopo aver seguito le lezioni di Thomson. I due si sposarono nel 1890 ed ebbero due figli, George Paget Thomson, futuro fisico sperimentale, Premio Nobel nel 1937, e Joan che accompagnò spesso il padre nei suoi viaggi.

Da subito si interessò alla struttura degli atomi e all’elettromagnetismo, e pubblicò nel 1892 le Notes on Recents Researches in Electricity and Magnetism che venne chiamato “il terzo volume” del trattato di Maxwell perché ne completava l’opera.

Collaborò poi con J. H. Poynting ad un libro di testo di fisica in quattro volumi Properties of Matter e nel 1895 pubblicò Elementi della Teoria matematica dell’Elettricità e Magnetismo che ebbe 5 edizioni fino al 1921.

Nel 1896 tenne alcune lezioni in America, a Princeton, che pubblicò col titolo di Discharge of Electricity through Gases e al suo ritornò iniziò la ricerca che lo rese famoso, uno studio dei raggi catodici che culminò con la scoperta dell’elettrone, annunciata alla Royal Institution il 30 aprile 1897.

I raggi catodici erano soggetto di indagini da alcuni anni, e gli esperimenti di Crookes, Hertz, Lenard e altri non avevano chiarito la loro natura: onde elettromagnetiche o particelle di materia? Perrin aveva stabilito che portavano una carica elettrica negativa, Lenard aveva provato che, se particelle, dovevano essere molto piccole, mentre Wiechert nel 1897 aveva misurato il rapporto carica/massa. Thomson rifece e migliorò tutti i precedenti esperimenti e in più propose l’idea che non solo i raggi catodici fossero corpuscoli, ma che questi fossero i costituenti degli atomi. Confermò questa sua ipotesi con tre famosi esperimenti, i primi due gli permisero di concludere: non vedo nessuna altra possibilità se non che [i raggi catodici] siano cariche di elettricità negativa trasportate da particelle di materia. Ma cosa sono queste particelle? Atomi, molecole o stati della materia ancora più sottili? Col terzo esperimento usando la curvatura provocata da un campo magnetico misurò il rapporto carica/massa che risultava più di mille volte minore di quello dell’atomo di idrogeno e concluse: abbiamo la materia in un nuovo stato … col quale sono costruiti tutti gli elementi chimici. Questa affermazione fu accolta con molto scetticismo: all’inizio pochissimi credettero all’esistenza di tali particelle più piccole degli atomi e un famoso fisico mi disse che pensava che li prendessi per i fondelli.

Nello stesso anno il fisico scozzese George Francis FitzGerald propose che le particelle di Thomson fossero elettroni liberi, usando il termine coniato da G. J. Stoney nel 1891 per denotare l’unità di carica elettrica in elettrochimica e poi adottato da Joseph Larmor nella sua teoria elettromagnetica. In entrambi i casi però questi elettroni non erano pensati come costituenti degli atomi.

Dopo il lavoro di Thomson proliferarono i modelli su come l’atomo potesse essere costituto da questi corpuscoli e lui stesso propose un modello, a volte chiamato “a panettone”, nel quale le particelle di carica negativa sono immerse in una nube di carica positiva. Questo modello, che permetteva di giustificare la tavola periodica proposta da Mendeleiev e la stabilità degli atomi, spiegava invece con molta difficoltà l’emissione della luce da parte degli atomi. Il modello fu demolito proprio dagli esperimenti di deflessione di particelle α del suo allievo Rutherford che scoprì il nucleo atomico.

L’elettrone, sebbene molto diverso da quello pensato da J.J., rimase però un costituente fondamentale dell’atomo e dalla sua scoperta nel 1897 si può dire ebbe inizio lo studio dei costituenti elementari della materia. Curiosamente, mentre J. J. Thomson stabilì la natura corpuscolare dell’elettrone, e per questo ebbe il Premio Nobel del 1906, il figlio G. P. Thomson ebbe il Premio Nobel del 1937 per avere evidenziato la natura ondulatoria dell’elettrone!

Nel 1903 scrisse Conduction of Electricity through Gases, dove descrive i suoi esperimenti al Cavendish, che ebbe una seconda edizione nel 1928/33 scritta in collaborazione col figlio. Nel 1904 tornò in America per tenere sei lezioni alla Yale University, su Elettricità e Materia; in esse Thomson propose quello che sarebbe divenuto lo spettrografo di massa (sviluppato da Aston e altri) e ipotizzò l’esistenza di isotopi degli atomi che poi confermò sperimentalmente.

Scrisse altri trattati – The Structure of Light (1907), The Corpuscular Theory of Matter (1907), Rays of Positive Electricity (1913), The Electron in Chemistry (1923) – ed anche un volume di memorie autobiografiche, Recollections and Reflections (1936).

Ottenne il titolo di Sir nel 1908 e l’Ordine del Merito nel 1912, Fellow della Royal Society dal 1884 ne divenne il Presidente dal 1915 al 1920 succedendo a Sir William Crookes. Tra i riconoscimenti ottenne le medaglie Royal (1884), Hughes (1902) e Copley (1914) dalla Royal Society, Hodgkins dallo Smithsonian Institute di Washington, Franklin da Filadelfia e altre. Non conseguì mai il Ph.D. ma ebbe ventuno dottorati onorari, dalle Università di Oxford, Cambridge, Londra, Parigi, Columbia, Gottinga, Oslo, Sorbona, Edimburgo, Princeton, Glasgow, Atene, Cracovia tra le altre.

Era un convinto esperantista e fu vicepresidente della Associazione Internazionale degli Scienziati Esperantisti.

È sepolto nella Abbazia di Westminster a Londra, vicino a Newton.