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JOSEPH J. THOMSON und die Entdeckung des Elektrons. Lebensdaten: 1856 - 1940. Die Kathodenstrahlröhre ist das Kernstück zweier Geräte, die heute überall zu finden sind: des Fernsehgeräts und des Computermonitors. Im 19. Jahrhundert war sie ursprünglich ein Experimentierapparat. In ihrer einfachsten Form besteht sie aus einem luftdicht abgeschlossenen und mit Gas gefüllten Glasgefäß, an dem Metallelektroden angebracht sind. Verbindet man die Elektroden mit einer ausreichend starken Batterie, sendet die Kathode Strahlen aus, die am anderen Ende der Röhre, der Anode, auftreffen und dabei fluoreszieren. Die Strahlen sind keine Lichtstrahlen, sondern bestehen aus Elektronen. Sie waren die ersten Elementarteilchen, die man aufgespürt hatte. Ihre Entdeckung 1897 durch Joseph J. Thomson war der entscheidende Schritt für die Entwicklung der Atommodelle im 20. Jahrhundert. Joseph John Thomson wurde am 18. Dezember 1856 in Cheetham Hill, einem Vorort von Manchester, als Sohn von Joseph Thomson, einem Verleger und Buchantiquar schottischer Herkunft, und Emma Swindells geboren. Die Familienumgebung war eher kleinbürgerlich-engstirnig denn gebildet, in der Schule galt James als frühreif und war mit einem außergewöhnlichen Gedächtnis ausgestattet. 1870, im Alter von vierzehn Jahren, besuchte er das Owens College und geriet unter den Einfluß des Physikprofessors Balfour Stewart. Als 1873 sein Vater starb, erhielt er ein Stipendium, das zum Angedenken an JOHN DALTON ausgeschrieben war, der als erster eine moderne Atomtheorie vorgelegt hatte. Nachdem Thomson 1880 das Trinity College als »zweiter« in Mathematik abgeschlossen hatte, wurde er zum Mitglied gewählt und blieb für den Rest seines Lebens in Cambridge. Er arbeitete am 1871 eröffneten Cavendish Laboratory, das zunächst unter der Leitung von JAMES CLERK MAXWELL stand. 1884, ungewöhnlich jung, wurde Thomson zum Cavendish-Professor für Experimentalphysik ernannt. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts wies vieles darauf hin, daß Atome - deren Existenz in manchen Kreisen noch immer bestritten wurde - nicht einfach unteilbare Teilchen unterschiedlichen Gewichts waren, sondern eine innere Struktur aufwiesen. Die im Entstehen begriffene Theorie des Elektromagnetismus implizierte, daß Atome elektrisch geladen waren; Experimente deuteten an, daß die glühenden Kathodenstrahlen aus geladenen Atompartikel bestanden. Bereits 1870 glaubte William Crookes, dessen verbesserte Vakuumröhren die Grundlage für Thomsons Experimente bildeten, daß die Strahlen Molekülströmen glichen. Thomson profitierte von den großen Datenmengen, die er im Laufe der Jahre sammelte, sowie vom theoretischen Verständnis des Elektromagnetismus. Seine maß_ geblichen Forschungen, die zwischen 1896 und 1898 stattfanden, wurden von der Entdeckung der Röntgenstrahlen angeregt. Beim ersten von mehreren entscheidenden Experimenten plazierte er zwei mit einer Batterie verbundene Metallplatten in eine Kathodenstrahlröhre und schuf ein Magnetfeld, durch das die Strahlen fließen mußten. Als er feststellte, daß die Kathodenstrahlen durch dieses Feld abgelenkt wurden, konnte er den Schluß ziehen, daß es sich um Teilchen und nicht um Lichtstrahlen handeln mußte. Wichtiger noch, Thomson war es nun möglich, aus der Geschwindigkeit (die er kannte) das Verhältnis von elektrischer Ladung zur Masse der Teilchen (e/m) abzuleiten. War das Verhältnis zwischen Ladung und Masse sehr groß, mußte das Teilchen sehr klein sein - mindestens tausendmal kleiner als Wasserstoff, das leichteste bekannte Atom. Thomson testete eine Reihe von Materialien und Gase und erhielt für alle dasselbe Ladung-Masse-Verhältnis. In weiterführenden Experimenten mit einer Nebelkammer konnte er 1898 die Größe der »Korpuskel« verifizieren. Die Schlußfolgerung, die er daraus zog, gehört zu den Meilensteinen der Physik: Kathodenstrahlen bestehen aus Elementarteilchen, die überall in der Materie zu finden sind. Oder wie er es später selbst ausdrückte: »Die Träger der Elektrizität sind Körper ... deren Masse sehr viel kleiner ist als die der Atome aller bekannten Elemente und die dieselben Wesenszüge aufweisen, gleichgültig, aus welcher Quelle die negative Elektrizität gewonnen wird.« Als Thomson seine vorläufigen Ergebnisse am 30. April 1897 bei einem freitagabendlichen Vortrag im Royal Institute vorstellte, konnten ihm nur wenige seiner Kollegen folgen. Aber seine Experimentreihen waren so überzeugend, daß die Anerkennung nicht lange auf sich warten ließ. »Die wissenschaftliche Welt«, so ein Bericht aus der damaligen Zeit, »schien plötzlich aufzuwachen und sich mit der Tatsache konfrontiert zu sehen, daß ihre Vorstellungen von Grund auf umgestoßen worden waren.« Thomsons Bezeichnung für das Elementarteilchen, »Korpuskel«, wurde bald durch »Elektron« ersetzt, das einige Jahre vorher der irische Physiker George Johnstone Stoney vorgeschlagen hatte. 1903 veröffentlichte Thomson eine Zusammenfassung seiner Arbeiten, Die Entladung der Elektricität durch Gase. Darin entwickelte er ein »Plumpudding«-Modell des Atoms bei der die Elektronen auf einer gleichmäßig geformte; Kugel saßen. Es wurde bald danach durch das von ERNEST RUTHERFORD und NIELS BOHR entworfene »Sonnensystem«-Modell abgelöst, das das letzte anschauliche Modell war. Weder das Atom noch die Elektronen können heute noch anhand bildhafter Darstellungen wirklich verstanden werden. Thomson war ein hochgeschätzter Wissenschaftler und Lehrer. Eine ganze Reihe seiner Studenten wurden später Nobelpreisträger. Das Cavendish Laboratory wurde zu einem Mekka für Physiker und blieb es für lange Zeit. Oft wird angemerkt, daß Thomson bei Experimenten unbeholfen und auf Unterstützung angewiesen war. »Thomsons Erfolg«, schrieb A. E. E. McKenzie, »beruhte auf seiner Fähigkeit, elementare Probleme klar zu durchdringen, Hypothesen zu formulieren, Experimente zu entwerfen und mit dem Team, das unter ihm arbeitete, das Problem von allen Seiten anzugehen.« 1906 wurde ihm der Nobelpreis für Physik verliehen. Nach 1912 konzentrierte er sich mehr und mehr auf seine administrativen Pflichten. 1908 wurde er zum Ritter geschlagen, 1915 wurde er Präsident der Royal Society. 1919 zog er sich vom Cavendish Laboratory zurück und trat in den Ruhestand. Er starb am 30. August 1940. Sein Leichnam wurde eingeäschert, und die Trauerfeierlichkeiten wurden in der Westminster Abbey abgehalten, in der Nähe der Gräber von ISAAC NEWTON, CHARLES DARWIN und ERNEST RUTHERFORD. Thomson war ein gläubiger Anglikaner, der jeden Tag betete. Er war mit Rose Elizabeth Paget verheiratet und hatte mit ihr zwei Kinder. Ihr Sohn George Paget Thomson wurde Physiker und für seine Arbeit über Elektronenablenkung wie sein Vater mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. |
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