Работая вместе со своим гениальным ассистентом Эрнестом Резерфордом, он обнаружил, что под воздействием рентгеновских лучей увеличивалась электропроводность газов. Ученые опубликовали знаменитую работу, в которой сделали вывод, что возникающая проводимость очень напоминает ионную проводимость в растворе при электролизе.
В 1897 году Томсон сконструировал трубку, похожую на трубку Крукса. С ее помощью он измерял отклонения катодных лучей в электрическом поле. В ней ученый использовал две пластинки, между которыми проходили катодные лучи. Напряжение, подаваемое на пластинки, можно было увеличивать или уменьшать, и чем выше было при этом напряжение, тем сильнее должно было быть отклонение катодных лучей от прямолинейной траектории.
В результате опыта Томсон выявил отклонение катодных лучей под действием электрического поля. Впоследствии знаменитый ученый сделал вывод о том, что направление отклонения указывает на то, что составляющие частицы катодных лучей несут отрицательный электрический заряд.
Предположение Томсона подтвердил замечательный французский физик-экспериментатор Жан Перрен. Он определил знак электрического заряда составляющих частиц катодных лучей, направляя их на металлический цилиндр. В результате опыта цилиндр оказался заряженным отрицательно.
Также Томсон измерил скорость катодных лучей, которая оказалась меньше скорости света в 2000 раз, что давало еще одно доказательство в пользу корпускулярной природы лучей. Впоследствии с помощью подобного эксперимента знаменитому ученому удалось установить массу и заряд частиц, составлявших катодные лучи.
Джозеф Джон провел теоретические расчеты, которые должны были описать движение заряженной частицы под воздействием электрического и магнитного полей. По мнению Томсона, отклонение частицы от прямолинейной траектории зависело от отношения ее заряда к массе.
Вслед за этим ученый поставил эксперимент, в котором отклонял катодные лучи посредством электрического поля. Затем с помощью магнитного поля эти лучи отклоняли в противоположную сторону, так чтобы они вернулись в первоначальную позицию. Таким образом можно было определить скорость и отношение заряда частицы к ее массе.
Эксперименты блестяще подтвердили теоретические умозаключения Томсона. В результате опыта было установлено, что отношение заряда частицы к ее массе почти в 1000 раз меньше, чем у ионов водорода (на сегодняшний день известно, что истинное отношение приблизительно 1837:1). Томсон предположил, что заряд частиц равен по модулю заряду иона водорода, который к тому времени был точно вычислен с помощью экспериментов в области электролиза. Поскольку атом водорода имел нулевой заряд, то возникало предположение, что заряд открытых частиц равен по значению и противоположен по знаку заряду иона водорода.
Вскоре описанные Томсоном отрицательно заряженные частицы были названы «электронами». Открытие Джозефа Джона Томсона стало одним из важнейших открытий в физике XIX века.
Позже с помощью прибора, изобретенного Ч. Вильсоном, удалось получить значение заряда электрона. Оказалось, что оно действительно соответствует значению заряда иона водорода. Предположение Томсона подтвердилось.
В 1906 году Джозеф Джон Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».
В своей презентационной речи, произнесенной 10 декабря 1906 года, профессор Дж. П. Класон, президент Шведской королевской академии наук, поблагодарил ученого за его работы, которые позволили современным физикам предпринять исследования в новых направлениях. Также Класон заявил, что Томсон по праву занимает место в одном ряду с такими гениями науки, как Фарадей и Максвелл.
В своей нобелевской лекции «Носители отрицательного заряда», прочитанной 11 декабря 1906 года, ученый детально проанализировал свое открытие электронов.
После получения Нобелевской премии Томсон продолжил свои научные исследования. Кроме открытия электрона он совершил и много других важных для науки открытий.
В своих ранних работах английский ученый исследовал электромагнитное поле движущегося заряженного шара, теорию вихрей, провел прецизионное измерение отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным единицам.
В своих работах «Электричество и материя», «Материя и эфир», «Структура света», «Фарадеевы силовые трубки и уравнения Максвелла» Томсон последовательно развивал вихревую теорию материи и взаимодействий.
Известная работа ученого «Трактат о движении вихревых колец» была удостоена приза Адамса в 1884 году. Исходя из вихревой теории эфира, Томсон вывел формулу
В 1886 году была опубликована его знаменитая работа «Применение динамики в физике и химии», а в 1892 году ученый отдал в печать свою новую работу «Заметки о недавних исследованиях электричества и магнетизма». Эту работу часто называют «третьим томом Максвелла». Совместно с профессором Пойнтингом Томсон написал четырехтомный учебник по физике, а в 1895 году издал работу «Элементы математической теории электричества и магнетизма», которая выдержала несколько переизданий и переводов на различные языки мира.
После открытия в 1897 году электрона Томсон предложил свою модель атома. Выдающийся ученый предположил, что атом состоит из положительно заряженной размытой сферы, в которую вкраплены маленькие отрицательно заряженные частицы – электроны. Под действием кулоновских сил электроны располагаются вблизи центра атома, а если в результате какого-либо действия частицы отклоняются от положения равновесия, то кулоновские силы восстанавливают их исходное состояние. Модель Томсона получила в среде ученых шутливое прозвище «сливовый пудинг», или «пудинговая модель».
Однако в 1910 году гениальный физик Эрнест Резерфорд, бывший ассистент Томсона, вместе со своими учениками Гейгером и Марсденом провели ряд экспериментов, в результате которых показали ошибочность модели Томсона. Резерфорд предложил новую, так называемую «планетарную» модель атома. По Резерфорду, в центре атома, подобно Солнцу, размещается положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. На электроны действует центробежная сила, которую уравновешивает электростатическое притяжение электрона к ядру. Предложенная Резерфордом модель заставила Томсона признать ошибочность своей модели атома. Позже другой гениальный физик Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, предположив, что электроны размещаются вокруг ядра на строго определенных орбитах.
После серии успешных работ, приведших к открытию электронов и их свойств, в 1899 году Томсон обнаружил электроны в фототоке, а также наблюдал эффект термоэлектронной эмиссии. Кроме того, ученый объяснил непрерывный спектр рентгеновского излучения.
Благодаря своим последующим работам Джозеф Джон Томсон стал одним из основоположников электронной теории металлов. В 1900 году он вывел формулу для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). Через год после предложения модели атома, в 1904 году, Томсон предположил, что электроны в атоме составляют группы различных конфигураций. Это явление и обусловливает периодичность химических элементов.
С 1905 года Томсон интересовался «канальными лучами» – быстро движущимися частицами, образующимися за катодом газоразрядной трубки. Ученый открыл многие их характеристики, а также выделил типы атомов и атомных групп в этих лучах.
На идеях Томсона базируется современная масс-спектрометрия.
В 1911 году английский ученый разработал метод парабол для измерения отношения массы частицы к ее заряду. И уже в следующем году, используя этот метод, он обнаружил первые изотопы. Ученый получил атомы неона с массами 20 и 22. Открытие Томсона сыграло важную роль в понимании природы радиоактивных элементов (таких как уран, радий).
В 1896 году Томсон посетил США и прочитал в Принстоне курс из четырех лекций, в которых подвел итог своих исследований. (Именно по возвращению из Америки он совершил знаменитое открытие электронов, о котором поведал всему миру на своей вечерней лекции в Королевском институте 30 апреля 1897 года.)
