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En 1894, Thomson a commencé à étudier les rayons cathodiques, qui sont des faisceaux lumineux incandescents qui suivent une décharge électrique dans un tube à vide poussé. C’était un sujet de recherche populaire parmi les physiciens de l’époque car la nature des rayons cathodiques n’était pas claire.
Thomson a conçu un meilleur équipement et de meilleures méthodes que ceux qui avaient été utilisés auparavant. Lorsqu’il a fait passer les rayons dans le vide, il a pu mesurer l’angle auquel ils étaient déviés et calculer le rapport entre la charge électrique et la masse des particules. Il a découvert que ce rapport était le même quel que soit le type de gaz utilisé, ce qui l’a amené à conclure que les particules qui composaient les gaz étaient universelles.
Thomson a déterminé que toute matière était composée de minuscules particules beaucoup plus petites que les atomes. Il a d’abord appelé ces particules des » corpuscules « , bien qu’elles soient maintenant appelées électrons. Cette découverte a bouleversé la théorie dominante selon laquelle l’atome était la plus petite unité fondamentale.
En 1906, Thomson a commencé à étudier les ions chargés positivement, ou rayons positifs. Cela a conduit à l’une de ses autres découvertes célèbres en 1912, lorsqu’il a canalisé un flux de néon ionisé à travers un champ magnétique et un champ électrique et utilisé des techniques de déviation pour mesurer le rapport charge/masse. Ce faisant, il a découvert que le néon était composé de deux types d’atomes différents, et a prouvé l’existence d’isotopes dans un élément stable. C’était la première utilisation de la spectrométrie de masse.