A fizika ?főszakácsa?

Hetven éve ment el az a tudós, aki ?kisütött? egy ?mazsolás kalácsot? és nyolc Nobel-díjat. 

Albert Einstein páratlanul megkapó relativitáselméletei megasztároknak kijáró sikert arattak és népszerűséget hoztak a szerzőnek, mellette szinte eltörpültek azok a tudósok, akik a modern fizikát előkészítették, sőt nagymértékben győzelemre is vitték. Ráadásul még a huszadik század legnagyobb tudósának kikiáltott német zseni Nobel-díjjal értékelt elméletéhez is hozzájárultak.

Ma már keveset mond a nagyközönségnek John Joseph Thomson neve. Annak ellenére, hogy ő szolgáltatta az első bizonyítékot az anyag atomi szerkezetére, megalapította a részecskefizikát, a nevéhez fűződik az első atommodell kidolgozása, oktatói és laboratórium vezetői munkájának eredményeképpen fél tucat tanítványa vehette át a Nobel-díjat. Hogy maga is részesült ebben a kitüntetésben, az már csak hab a tortán.

A huszadik századi fizika egyik meghatározó egyénisége másfélszáz évvel ezelőtt, 1856. december 18.-án született Manchesterben. A híres Cambridge-i egyetemen szerzett diplomát. Eredetileg ugyan mérnöknek készült, de szerencsére időben rájött arra, hogy az elméleti kutatómunka jobban megfelel neki, így matematikát és fizikát hallgatott. Szakmaváltása igazi telitalálat volt, amely hamarosan bebizonyosodott: alig huszonöt éves, amikor 1881-ben felfedezi, hogy a mozgó részecskék a sebesség növelésével egyre nagyobb tömegre tesznek szert. Erre a hagyományos fizika szerint egyszerűen nem volt magyarázat. Ezzel a tettével előkészítette a talajt Albert Einstein későbbi, 1905-ös speciális relativitáselméletének megalkotásához.  Ennek fényében aligha csodálható, hogy két év múltán a fizika professzorává nevezik ki, majd 1884-től a Cavendish Laboratórium vezetője lesz. Hogy fogalmunk legyen erről a megtiszteltetésről, elég megemlíteni, hogy a huszonnyolc éves fiatalember az angol fizika legendás fellegvárát vette be, hiszen hivatali elődei az elektromágneses térelmélet megalkotója, James Clerk Maxwell és Lord Rayleigh voltak, ez utóbbi 1904-ben Nobel díjban is részesült.

Mint oly sok kortársa, Thomson is a katódsugárcsővel, korabeli nevén Crookes-csővel folytatta kísérleteit. Wiliam Crookes volt a megszerkesztője annak az egy méter hosszú, légritkított csőnek, amelynek két végére elektródokat forrasztottak. Amikor nagy feszültséget kapcsoltak a két sarkára, derengő fény jelent meg. Sokan, sokféle módon próbálták magyarázni a jelenséget. Abban mindenki biztos volt, hogy ezúttal az anyag atomos szerkezetére tudnak bizonyítékot szerezni. Ugyanis a tizenkilencedik század utolsó harmadában még senki sem tudta, hogy az atomok nemcsak az emberi elme szüleményei. Abban viszont nagyon is megoszlottak a vélemények, hogy ez az atom mit is hordoz.  Legtöbben úgy vélték ? közöttük Lénárd Fülöp is, aki ugyancsak e szerkezettel való kísérleteinek eredményeként kapta meg 1905-ben a Nobel díjat -, hogy a fény atomjairól van szó. Csakhogy 1894-ben Thomsonnak sikerült megmérnie a katódsugarak sebességét, amely nagyon is kicsinek adódott: a fénysebesség egy ezred részével haladtak a fura kis részecskék. Ezzel eleve kizárta azt a lehetőséget, hogy a fény atomjairól van szó.  Azt viszont ő sem sejtette, hogy akkor mit talált meg. Három év múltán a szerencse sietett a segítségére: kiderítette, hogy mérései sokkal nagyobb pontossággal végezhetők, ha sikerül növelnie a vákuum mértékét a csőben. Amikor ugyanis új, eddiginél sokkal tökéletesebb szivattyút használt, kiderült, hogy a rejtélyes sugarak külső villamos tér hatására eltéríthetők. A becsapódó részecskék pályájából egyértelművé vált, hogy negatív villamos töltést hordoznak, a görbületből pedig meg tudta határozni fajlagos tömegüket. Amely minden eddig ismert atomnál kisebbnek adódott. Az első pillanattól fogva meg volt győződve róla, hogy megtalálta a démokritoszi atomot, azt az oszthatatlan részecskét, amelyből az egész világegyetem felépül. Csakhogy a további kísérletek arra utaltak, hogy ez a felvetése nem állja meg a helyét: a kémiai elemek külsőleg semleges villamos tulajdonságokkal rendelkeznek, de vannak olyanok is ? az ionok -, amelyek pozitív vagy negatív töltésűek, amiből egyértelműen következett, hogy amit megtalált, lehet ugyan oszthatatlan, de még más részecskének is kell ott lennie. Sejtése ezúttal teljesen helytállónak bizonyult: valójában az atom egyik alkotó részecskéjét, az elektront találta meg. Az is igaz, hogy elemi részecske, igazi atomosz, amely tovább nem osztható. Felfedezésének jelentőségét mi sem bizonyítja jobban, mint hogy évtizedekig kellett várni további társai felfedezésére, tekintve, hogy a hamarosan megtalált, az atommagot alkotó protonról és neutronról is kiderült, hogy tovább darabolhatóak, tehát nem atomoszok a szó démokritoszi értelmében.

Két évvel később, 1889-ben gyors egymásután két fontos felfedezést is tett: először sikerült meghatároznia az elektron töltését, amelyről helyesen feltételezte, hogy ez a természetben előforduló legkisebb töltés, majd azt is tisztázta, hogy a fényelektromos jelenség során elektronok lépnek ki az anyagból. Azt ugyanis már évtizedekkel korábban megfigyelték, hogy külső fény hatására valamilyen részecskék kilépnek egyes anyagok belsejéből. Thomson érdeme volt annak tisztázása, hogy ezek épp elektronok. Ennek a felismerésének közvetlen következménye lett Albert Einstein fényelektromos jelenségre vonatkozó magyarázata, amely Nobel-díjat hozott neki, továbbá elindította a kvantumfizika páratlan karrierjét, közvetve ugyancsak hozzájárult Lénárd Fülöp hasonló kutatásaihoz. A pozsonyi születésű tudós egyébként egy évvel megelőzte Thomsont a neves díj átvételében.

Bal felső kép: a "mazsolás kalács"

A felfedezések hatására módosítani kellett az atomok szerkezetéről kialakult elképzeléseket. Mivel a mérések azt igazolták, hogy az atomnak csak pici részét alkotja az elektron, Thomson úgy gondolta, hogy a nagy tömegű, pozitív töltésű anyagmasszában foglalnak helyet az apró, negatív töltésű elektronok. Mivel a két töltésmennyiség azonos nagyságú, de ellenkező előjelű, az anyag külsőleg semleges villamos tulajdonságokat mutat. Az ionok esetében viszont elektronhiány vagy elektronfölösleg van. Ezzel 1904-ben megszületett az első korszerű atommodell, amelyet Thomson kedvenc tanítványa, Ernest Rutherford ?mazsolás kalácsnak? ? angolosan mazsolás pudingnak ? keresztelt el.

Thomson kutatásainak jelentőségét az egész fizikus társadalom elismerte és értékelte, így természetesnek vették, hogy 1906-ban megkapta a fizikai Nobel-díjat. Szép ajándékként ötvenedik születésnapjára, ugyanis bő egy héttel e kerek évforduló előtt vehette át.

Mondani sem kell, hogy a továbbiakban sem tétlenkedett: 1907-ben felfedezte, hogy azonos fajlagos töltésű részecskék azonos parabolapályán mozognak. Ennek hat év múltán vehette hasznát, amikor döbbenten tapasztalta, hogy a 20-as tömegszámú neon atomjai egészen más pályán mozognak, mint a 22-es tömegszámúak. Erre persze nem volt magyarázat. Hiszen az eddigi kutatások csak a töltésektől tették függővé a befutott pályát. Kár, hogy ezúttal is óvatosnak bizonyult, hiszen csak egy hajszál választotta el őt az izotópok felfedezésétől és ezzel egy újabb Nobel-díjtól (bár ennek kémiainak kellett volna lennie, ahogy az Marie Curie esetében történt, ugyanis még csaknem hetven éven át érvényben volt az a szabály, hogy egy kutatónak csak egy Nobel-díjat osztanak ki ugyanabban a kategóriában). Viszont a sors igazán kegyes volt hozzá: összesen hat tanítványa vehette át a kitüntetést: Ernest Rutherford 1908-ban, Francis Aston 1922-ben kémiai, William Henry Bragg 1915-ben,  Charles Thomson Wilson 1927-ben, Edward Victor Appleton 1947-ben  fizikai  Nobel-díjat kapott. S ami minden szülő számára a legfontosabb: megérhette fia sikerét. George Paget Thomson 1937-ben ugyancsak Nobel díjas lett! A sors különös és szép ajándékaként épp édesapja nyomdokain haladva az elektronok hullámtermészetének igazolásáért, kristályrácsokon való szóródásuk alkalmával. Talán még soha nem igazolódott tökéletesebben az almáról és fájáról szóló mondás igazságtartalma.

Hatvankét éves korában, 1918-ban vonult nyugdíjba. A világ leghíresebb laboratóriumát kedves tanítványának, Ernest Rutherfordnak adta át. Vezetőképzési zsenijének bizonyítéka, hogy Rutherford utóda ugyanebben a vezetői székben az ugyancsak Thomson-tanítvány és Nobel díjas William Henry Bragg lett.

Hosszú, eredményekben gazdag tevékenység után nyolcvannégy éves korában, hetven évvel ezelőtt, 1940. augusztus 30.-án Camridge-ben hunyt el a világ leghíresebb laboratóriumvezetője, aki az első atommodell megszerkesztése és az elektron felfedezése mellett összesen nyolc Nobel-díj elnyeréséhez járult hozzá.

                                                 

Comments are closed.