Кикоин А.К. Открытие электрона //Квант. - 1985. - № 3. - С. 18-20.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Слово «электрон» - название одной из заряженных элементарных частиц - и производные от него, пожалуй, чаще всего встречаются в наши дни в научно-технической литературе. Сравнительно недавно появилось слово «электроника», обозначающее, с одной стороны, науку о взаимодействиях электронов с электромагнитными полями, а с другой - новую область техники. Такие прилагательные, как «электронный», «электронная» и т. д., широко вошли в наш язык и в нашу жизнь. Достаточно напомнить, например, о существовании различных электронных приборов и электронных вычислительных машин.

Когда, кем и как был открыт электрон? Когда, кто и как определил его основные свойства и выяснил его роль в природе?

Лучи или частицы?

Открытие электрона представляет собой завершение длившегося несколько десятилетий исследования газового разряда, то есть процесса прохождения электрического тока через газ («Физика 9», § 70-72). В частности, приблизительно к середине прошлого века было выяснено, что если к электродам, впаянным в стеклянную трубку с газом, приложить достаточно высокое напряжение, то через газ проходит электрический ток, а сам газ при этом светится. Характер свечения зависит от давления газа и приложенного напряжения, а цвет света определяется природой газа. Однако при достаточно малом давлении (около одного паскаля, то есть стотысячной доли атмосферы) свечение газа почти исчезает (хотя ток продолжает идти), но зато начинает светиться зеленоватым светом стекло трубки.

Что же происходит в разрядной трубке после исчезновения свечения газа? По этому поводу возник длительный спор между физиками, наиболее активно изучавшими это явление.

Немецкие физики (Г. Герц, Э. Гольдштейн) считали, что из катода трубки исходят особые лучи, которые и вызывают свечение стекла. Их поэтому стали называть катодными лучами . Герц, открывший электромагнитные волны, естественно, склонен был считать, что катодные лучи - это особые электромагнитные волны, похожие на свет, но свет невидимый.

Английские физики (У. Крукс, А. Шустер, затем Дж. Дж. Томсон) полагали, что из катода выходят не лучи, а какие-то отрицательно заряженные частицы и что именно под их воздействием возникает свечение стекла. Крукс, например, утверждал, что это газовые молекулы, которые, удаляясь о катод, приобретают отрицательный заряд и затем ускоряются силой притяжения к аноду. В пользу этого говорило то, что катодные лучи отклоняются магнитным полем. Об этом важном факте знали, конечно, и немецкие физики, но в то время еще не было твердо установлено, что электромагнитные волны с магнитным полем не взаимодействуют.

Обеими спорящими сторонами было твердо установлено, что свойства катодных лучей не зависят от того, из какого материала сделан катод. Спор этот был весьма плодотворным, так как каждая группа ученых старалась придумать и поставить такие опыты, которые доказали бы их правоту.

Решающие опыты были выполнены в 1897 году английским физиком Джозефом Джоном Томсоном. Опыты эти состояли в наблюдении движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.

Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях

В прошлом номере в заметке «О числе Фарадея и удельном заряде заряженной частицы» было показано, что скорость υ и ускорение а заряженной частицы в электрическом поле определяются удельным зарядом частицы \(~\dfrac{q}{m}\) (q - заряд частицы, m - ее масса):

\(~\upsilon = \sqrt{2 \dfrac{q}{m} U}\) , \(~a = \dfrac{q}{m} E\) ,

где U - напряжение, а E - напряженность поля.

Но оказывается, движение частицы в магнитном поле тоже определяется ее удельным зарядом. Покажем это.

На частицу с зарядом q (для простоты будем считать его положительным), движущуюся с начальной скоростью \(~\vec \upsilon\) в магнитном поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила Лоренца \(~\vec F_L\) («Физика 9», §89). Если вектор \(~\vec \upsilon\) перпендикулярен вектору \(~\vec B\), то сила Лоренца по модулю равна qυB и направлена перпендикулярно вектору скорости и вектору магнитной индукции. Поскольку сила перпендикулярна скорости частицы, она заставляет частицу двигаться по окружности, сообщая ей центростремительное ускорение. Второй закон Ньютона для этого случая имеет вид

\(~m \dfrac{\upsilon^2}{r} = q \upsilon B\) ,

откуда для радиуса r окружности получаем

\(~r = \dfrac{m \upsilon}{qB} = \dfrac{\upsilon}{B \dfrac{q}{m}}\) .

Таким образом, при заданном значении магнитной индукции и начальной скорости частицы радиус кривизны ее траектории действительно определяется удельным зарядом частицы \(~\left(\dfrac{q}{m} \right)\).

Из последнего равенства можно получить формулу для определения самого удельного заряда:

\(~\dfrac{q}{m} = \dfrac{\upsilon}{Br}\) .

Радиус окружности r и индукцию В измерить нетрудно. Но нужно еще знать скорость υ частицы, которую измерить не так просто. Томсон сумел обойти эту трудность. И вот каким способом.

Опыты Дж. Дж. Томсона

Целью опытов Томсона было определение удельного заряда тех предполагаемых частиц, которые, по мнению английских физиков, образуют катодные лучи. Прибор, созданный Томсоном, схематически показан на рисунке.

В стеклянный сосуд впаяны катод К , и анод А , диафрагма и пластины конденсатора. Между К и А подается достаточно высокое напряжение, необходимое для возникновения катодных лучей. Отверстия в аноде и диафрагме «вырезают» узкий пучок лучей, попадающий на противоположную стенку сосуда, где он вызывает свечение стекла. Пунктирная окружность на рисунке изображает катушки (вне сосуда), создающие магнитное поле, перпендикулярное электрическому полю конденсатора (и плоскости рисунка).

Когда в трубке создано только электрическое поле конденсатора и верхняя пластина заряжена положительно, пучок лучей, если он действительно состоит из отрицательно заряженных частиц, отклоняется вверх (траектория a на рисунке). Если создано только магнитное поле, направленное от нас за плоскость рисунка, пучок отклоняется вниз (траектория b ). По свечению торцевой стенки трубки легко установить, куда именно попадает пучок.

Но можно подобрать такие значения напряженности электрического поля \(~\vec E\) и магнитной индукции \(~\vec B\), чтобы пучок вовсе не отклонялся и двигался по прямолинейной траектории (показанной на рисунке красным цветом). Это означает, что электрическая сила, действующая на частицу, равна по модулю силе Лоренца: qE = qυB . Отсюда для скорости частицы получаем выражение \(~\upsilon = \dfrac{E}{B}\). Подставив его в формулу для удельного заряда, находим

\(~\dfrac{q}{m} = \dfrac{E}{B^2 r}\) . (*)

Все в опыте Томсона происходило так, как и предполагалось. В электрическом поле пучок двигался по одной траектории (a ), в магнитном - по другой (b ). При одновременном действии обоих полей пучок не отклонялся вовсе.

По формуле (*), в которую входят легко измеряемые величины (и не входит скорость частиц), можно было определить удельный заряд частиц, образующих то, что до того называлось катодными лучами. Удельный заряд этих частиц оказался чудовищно большим: 1,76·10 11 Кл/кг. Эти-то частицы и получили название электронов. Поэтому теперь принято считать, что год открытия электрона - 1897, а автор этого важнейшего открытия - Джозеф Джон Томсон.

Так как электроны вылетают из катода разрядной трубки всегда, независимо от того, из какого материала изготовлен катод, можно было сделать вывод о том, что электроны входят в состав любого атома. Эту гипотезу Томсон высказал в том же 1897 году.

В течение нескольких последующих лет Томсон (а также и другие ученые) показал, что частицы, вылетающие из нагретого металла при термоэлектронной эмиссии, имеют тот же удельный заряд, то есть что это тоже электроны. Тот же удельный заряд имеют и частицы, вырываемые из металлов светом. И это тоже электроны!

За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы (приведшие к открытию электрона) Дж. Дж. Томсон в 1906 году получил Нобелевскую премию по физике.

О массе и заряде электрона

Зная значение удельного заряда электрона, еще ничего нельзя сказать ни о значении заряда, ни о значении массы электрона по отдельности. Однако к концу прошлого века было уже известно значение удельного заряда иона водорода, а также то, что заряд иона водорода по модулю (но не по знаку) равен заряду электрона. А это позволяет кое-что сказать о массе электрона. В самом деле, удельные заряды электрона и иона водорода равны соответственно

\(~\dfrac{e}{m_e} = 1,76 \cdot 10^{11}\) Кл/кг, \(~\dfrac{e}{m_H} = 9,65 \cdot 10^{7}\) Кл/кг

(здесь е - модуль заряда электрона, как его принято обозначать, m e - масса электрона, m H - масса иона водорода). Разделив \(~\dfrac{e}{m_e}\) на \(~\dfrac{e}{m_H}\), получаем, что масса электрона примерно в 1840 раз меньше массы иона водорода.

Приблизительно через 15 лет после опытов Томсона Р. Милликен в США и А. Ф. Иоффе в России непосредственно измерили заряд электрона, который оказался равным 1,6·10 -19 Кл. Отсюда для массы электрона получается значение 9,1·10 -31 кг. Это самые маленькие значения заряда и массы в природе.

Дебаты о том, кем открыт электрон, не утихают до сих пор. В роли первооткрывателя элементарной частицы, кроме Джозефа Томсона, одни историки науки видят Гендрика Лоренца и Питера Зеемана, другие - Эмиля Вихерта, третьи - Филиппа Ленарда. Так кто он - ученый, открывший электрон?

Атом - значит неделимый

Понятие "атом" в обиход было введено философами. Древнегреческий мыслитель Левкипп еще в V веке до н. э. предположил, что все в мире состоит из мельчайших частиц. Его ученик - Демокрит, назвал их атомами. По мнению философа, атомы - "кирпичики" мироздания, неделимые и вечные. От их формы и внешней структуры зависят свойства веществ: атомы текучей воды - гладкие, металла - с профильными зубчиками, придающими твердость телу.

Выдающийся русский ученый М. В. Ломоносов, основатель атомно-молекулярной теории считал, что в составе простых веществ корпускулы (молекулы) образованы одним видов атомов, сложных - различными.

Химик-самоучка (Манчестер) в 1803 г., опираясь на экспериментальные данные и, приняв за условную единицу массу атомов водорода, установил относительные атомные массы некоторых элементов. Атомистическая теория англичанина имела огромное значение для дальнейшего развития химии и физики.

К началу XX века был накоплен целый ряд экспериментальных данных, доказывающих сложность строения атома. Сюда можно отнести явление фотоэффекта (Г. Герц, А. Столетов 1887 г.), открытие катодных (Ю. Плюккер, В. Крукс, 1870 г.) и рентгеновских (В. Рентген, 1895 г.) лучей, радиоактивности (А. Беккерель, 1896 г.).

Ученые, работавшие с катодными лучами, разделились на два лагеря: одни предполагали волновую природу явления, другие - корпускулярную. Ощутимых результатов добился профессор Высшей нормальной школы (Лиль, Франция) Жан Батист Перен. В 1895 г. он показал в ходе экспериментов, что катодные лучи представляют собой поток отрицательно заряженных частиц. Может Перен - физик, открывший электрон?

На пороге великих свершений

Физик и математик Джордж Стони (Королевский Ирландский университет, Дублин) в 1874 году озвучил предположение о дискретности электричества. В каком году и кем был В ходе экспериментальных работ по электролизу именно Д. Стони определил значение минимального электрического заряда (правда, полученный результат (10 -20 Кл) был в 16 раз меньше действительного). Единицу элементарного электрического заряда в 1891 году ирландский ученый назвал "электрон" (от древнегреческого "янтарь").

Через год Гендрик Лоренс Нидерланды) сформулировал главные положения своей электронной теории, согласно которой в основе строения любого вещества лежат дискретные электрические заряды. Этих ученых не считают первооткрывателем частицы, но их теоретические и практические изыскания стали надежным фундаментом для будущего открытия Томсона.

Непоколебимый энтузиаст

На вопрос о том, кто и когда открыл электрон, энциклопедии дают четкий и однозначный ответ - Джозеф Джон Томсон в 1897 году. Так в чем же заслуга английского физика?

Отец будущего президента Лондонского Королевского общества был продавцом книг и с детских лет привил сыну любовь к печатному слову и тягу к новым знаниям. После окончания Оуэнс-колледжа (с 1903 г. - и Кембриджского университета в 1880 году молодой математик Джозеф Томсон поступил на работу в Кавендишскую лабораторию. Экспериментальные исследования целиком увлекли молодого ученого. Коллеги отмечали его неутомимость, целеустремленность и необычайную увлеченность практической работой.

В 1884 году, в возрасте 28 лет, Томсон был назначен директором лаборатории, сменив на этом посту лорда К. Рэлея. Под руководством Томсона, лаборатория в последующие 35 лет превратилась в один из крупнейших центров мировой физики. Отсюда начали свой путь Н. Бор, П. Ланжевен.

Внимание к деталям

Работы по исследованию катодных лучей Томсон начал с проверки опытов его предшественников. Для многих экспериментов была изготовлена специальная аппаратура по личным чертежам директора лаборатории. Получив качественное подтверждение опытов, Томсон и не думал останавливаться на достигнутом. Основную свою задачу он видел в точном количественном определение природы лучей и составляющих их частиц.

Новая трубка, сконструированная для следующих опытов, имела в своем составе не только привычные катод и ускоряющие электроды (в виде пластин и колец) с отклоняющим напряжением. Поток корпускул направлялся на экран, покрытый тонким слоем вещества, светящегося при ударах частиц. Потоком предполагалось управлять совместным воздействием электрических и магнитных полей.

Составные части атома

Первооткрывателем быть трудно. Еще труднее отстоять свои убеждения, которые идут вразрез с устоявшимися тысячелетиями понятиями. Вера в себя, в свою команду и сделала Томсона тем человеком, кем открыт электрон.

Опыт дал ошеломляющие результаты. Масса частиц оказалась в 2 тыс. раз меньше, чем у ионов водорода. Отношение заряда корпускулы к ее массе не зависит от скорости потока, свойств материала катода, природы газовой среды, в которой происходит разряд. Напрашивался вывод, противоречащий всем устоям: корпускулы - универсальные частицы вещества в составе атома. Раз за разом, Томсон усердно и внимательно проверял результаты экспериментов и расчетов. Когда сомнений не осталось, состоялся доклад о природе катодных лучей Лондонскому королевскому обществу. Весной 1897 года атом перестал быть неделимым. В 1906 году Джозеф Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике.

Неизвестный Иоганн Вихерт

Имя преподавателя геофизики Кёнингсбёрского, а затем Гёттингенского университета, исследователя сейсмографии нашей планеты Иоганна Эмиля Вихерта, больше известно в профессиональных кругах геологов и географов. Но знаком он и ученым-физикам. Это единственный человек, кого официальная наука, наряду с Томсоном, признает первооткрывателем электрона. И если уж быть абсолютно точным, работа с описанием опытов и расчетов Вихерта была опубликована в январе 1897 года - на четыре месяца раньше доклада англичанина. Кем открыт электрон - уже исторически решено, но факт остается фактом.

Для справки: ни в одной из своих работ Томсон не употребил термин "электрон". Он использовал название "корпускулы".

Кто открыл протон, нейтрон и электрон?

После обнаружения первой элементарной частицы стали выдвигаться предположения о возможном строении атома. Одна из первых моделей была предложена самим Томсоном. Атом, по его словам, напоминает кусочек пудинга с изюмом: в положительно заряженное тело вкраплены отрицательные частицы.

В 1911 году (Новая Зеландия, Великобритания) предположил, что модель атома имеет планетарную структуру. Спустя два года он выдвинул гипотезу о существовании в ядре атома положительно заряженной частицы и, получив ее экспериментально, назвал протоном. Он же предсказал наличие в ядре нейтральной частицы с массой протона (нейтрон был открыт в 1932 г. английским ученым Дж. Чедвиком). В 1918 году Джозеф Томсон передал управление лабораторией Эрнесту Резерфорду.

Надо ли говорить, что открытие электрона позволило по-новому взглянуть на электрические, магнитные и оптические свойства вещества. Трудно переоценить роль Томсона и его последователей в развитии атомной и ядерной физики.

В данной статье даётся тезисное изложение исторического процесса открытия электрона. Акцент делается на ошибки, допущенные в данном процессе, ставшие одной из причин кризиса теоретической физики ХХ века.

Введение. «День 30 апреля 1897 года официально считается днем рождения первой элементарной частицы — электрона. В этот день глава Кавендишской лаборатории и член Лондонского королевского общества Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение «Катодные лучи» в Королевском институте Великобритании, в котором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершилось выяснением природы катодных лучей.»

Важность этого события несомненна для теоретической физики ХХ столетия. Дж. Дж. Томсоном ( - г.г.) впервые была дана оценка величины массы и электрического заряда частиц катодных лучей, позднее отождествленных с электроном. В современной физике масса и заряд электрона являются фундаментальными константами и служат основой определения многих других . Фундаментальные константы входят в уравнения из самых различных областей физики, демонстрируя тем самым свою универсальную природу. В силу этого эти константы являются основным инструментом, позволяющим сравнить теорию с экспериментом. Однако, появление все возрастающего количества работ, научных и “дилетанских“, о некорректности интерпретаций различных физических явлений , о непостоянстве фундаментальных постоянных и неспособности классических теорий описать физические явления показывает о наличии кризиса современной теоретической физики.

История открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества. «Скажите мне, что такое электричество, и я объясню Вам все остальное» — эти слова старейшины классической физики Вильяма Томсона не были броской фразой. Электричество было величайшей проблемой физики ХIХ века, а стало еще большей проблемой не только физики ХХ века, но и начала ХХI века.

Открытие электрона стало итогом многолетней работы Томсона и его сотрудников. Ни Томсон, ни кто-либо другой никогда не наблюдали электрон в буквальном смысле, никому не удалось выделить отдельную частицу из пучка катодных лучей и измерить ее удельный заряд. Автором открытия является Дж. Дж. Томсон потому, что его представления об электроне были близки к современным .

Согласно современным представлениям традиционной физики элементарных частиц : электрон - стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона равен −1,602176487(40)×10 −19 Кл (или −4,80320427(13)×10 −10 ед. СГСЭ в системе СГС); масса примерно в 1836 раз меньше массы протона и равна 9,10938356(11)· 10 −31 кг.

Электрон считается неделимым и бесструктурным (как минимум до расстояний 10 −17 см), участвует в слабых, электромагнитных и гравитационных взаимодействиях.

Примерами участия электрона в слабых взаимодействиях являются бета-распад и электронный захват.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Выше изложенные представления об электроне гипотетичны и противоречивы. Масса электрона определяется как часть массы другой частицы - протона, чья масса, в свою очередь, является функцией структуры ядра атома вещества. Никто еще не привел доказательства, что электрический заряд электрона отрицательный и соответствует выше приведенному значению (1,602176487(40)×10 −19 Кл). Если электрон является основным структурным элементом атома вещества, то он не может быть свободным, а значит не может обуславливать электрический ток в проводнике и др. явления.

Данные замечания позволяют говорить о мифичности (система фантастических представлений о мире) открытия электрона, несмотря на то, что определена дата открытия и назначен его первооткрыватель.

История открытия электрона. История открытия электрона хорошо изучена, отшлифована и приведена в соответствие с современными представлениями об электроне. Если бы она в действительности была бы такой как есть, то, исходя из значимости электрона для физики, не стоял бы сегодня вопрос о кризисе теоретической физики.

Как было изложено выше история открытия электрона — это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества.

Первые представления об электричестве связывают с Древней Грецией, а именно с древне-греческим философом Фалесом Милетским (640 – 550 г.г. до н.э.), которому уже было известно свойство янтаря (др.-греч. ἤλεκτρον: электрон), натертого мехом или шерстью, притягивать легкие предметы . Упадок античной культуры заметно отразился на изучении электрических явлений. Из многочисленных источников следует, что практически до 1600 г. не было сделано ни одного открытия в области электрических явлений . Значительный перелом в представлениях об электрических явлениях наступил в самом начале ХVII в., когда вышел в свет фундаментальный труд видного английского ученого Вильяма Гильберта (1554 – 1603 г.г.) ”О магните, магнитных телах и большом магните — Земле ” (1600 г.), в котором появился термин электричество («янтарность»). Пытаясь объяснить способность предметов притягивать другие более лёгкие, Гильберт считал электрические явления “истечениями” тончайшей жидкости, которая вследствие трения выливается на предметы и непосредственно действует на другой предмет.

Представления о том, что электрические явления обусловлены присутствием особой “электрической жидкости ”, аналогичной “теплотвору ” и “светотвору ”, были характерны для науки того периода, когда механистические взгляды на многие явления были господствующими.

Важным и вполне закономерным шагом на пути изучения электрических явлений был переход от качественных наблюдений к установлению количественных связей и закономерностей, к разработке основ электричества. Наиболее значительный вклад в решение этих проблем был сделан американским ученым Б. Франклином (1706 -1790 г.г.) и петербургскими академиками М. В. Ломоносовым (1711 – 1765 г.г.) и Г.В. Рихманом (1711 – 1753 г.г.) .

Франклин является автором первой теории об электричестве, так называемой “унитарной теории ” электричества («Опыты и наблюдения над электричеством», 1747 г.). Он пришел к выводу, что электричество представляет собой жидкость (только одного рода), состоящую из “чрезвычайно неуловимых частиц” . Таким образом, он впервые высказал правильное предположение о материальном характере электричества. Он также вводит понятие положительного и отрицательного заряда. Согласно его представлениям, когда янтарную палочку натирают мехом, часть электричества переносится от палочки к меху, порождая недостаток электричества на янтарной палочке и его избыток на мехе. Недостаток электричества Франклин определил, как отрицательное электричество, а избыток - как положительное. Количество электричества (положительного или отрицательного), заключенного в любом теле, он назвал электрическим зарядом тела. Франклин ввел также фундаментальную гипотезу – закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд никогда не возникает (из ничего) и не исчезает – он только передается (от одного тела к другому).

В представлении Франклина понятия отрицательное и положительное электричество понимаются как его недостаток и избыток, что не тождественно математическому понятию меньше нуля или больше нуля. С течением времени представления Франклина о положительном и отрицательном электричестве (заряде) бездоказательно трансформировались в математическое понятия больше или меньше нуля, что в дальнейшем привело к существенной ошибке в представлении электрона, как отрицательно заряженной элементарной частицы. (Курсив - комментарий автора)

Свои воззрения на электричество Ломоносов сформулировал в 1756 г. в неопубликованном и сохранившемся в виде тезисов труде “Теория электричества, разработанная математическим путем”. В отличие от большинства своих современников Ломоносов полностью отрицает существование особой электрической материи и рассматривает электричество как форму движения эфира . “Эфирная” теория электричества, разработанная Ломоносовым, явилась новым шагом к материалистическому объяснению явлений природы. Эфирной теории придерживались многие крупнейшие ученые ХIХ в., в том числе и М. Фарадей (1791 — 1867 г.г.).

В 1911 году на основании анализа и статистической обработке результатов экспериментов по рассеиванию α-частиц в тонкой золотой фольге, выполненных Гейгером и Марсденом в 1909 г., Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома . Согласно этой модели атом состоит из очень маленького положительно заряженного ядра, содержащего большую часть массы атома, и обращающихся вокруг него лёгких электронов.

Представленная хронология научных открытий конца ХIХ и начала ХХ в. демонстрирует прежде всего трансформацию содержания термина «электрон» — носителя электрического заряда, неустановленной физической природы, в электрон – структурный элемент атома вещества. Отождествление этих двух различных физических сущностей в одну и является грубейшей ошибкой физики начала ХХ в. Существенный вклад в этот процесс (отождествления) был привнесен работами с катодными лучами, выполненными рядом авторитетных ученых.

В 1838 году Фарадей, пропуская ток от электростатической машины через стеклянную трубку с воздухом при низком давлении, наблюдал фиолетовое свечение, исходящее из положительного электрода (анода). Это свечение распространялось почти до самого отрицательного электрода (катода) на другом конце трубки. Между светящимся катодом и фиолетовым свечением, исходящим из анода, он обнаружил темное пространство, которое теперь называют «фарадеевым темным пространством».

В 1859 году немецкий физик Ю. Плюккер ( - г.г.) обнаружил, что при понижении давления темное пространство в трубке увеличивается, а стекло вблизи катода начинает фосфоресцировать. Так были открыты катодные лучи (название дано Э. Гольдштейном), сыгравшие одну из важных ролей в последующем представлении физической природы электричества. При дальнейших опытах Плюккера с сотрудниками было установлено, что катодные лучи распространяются прямолинейно, отклоняются магнитным полем, свойства их не зависят от материала катода.

В дальнейшем в исследовании катодных лучей приняло участие множество знаменитых ученых и изобретателей : К. Варли, У. Крукс, А. Шустер, Г. Герц, Ф. Ленард, Ж. Перрен и др., приведшие к созданию корпускулярной и волновой теорий природы катодных лучей.

Немецкие физики, за редким исключением, были единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире — волновая гипотеза Гольдштейна; англичане, начиная с В. Крукса, считают, что они являются потоками частичек вещества. В 1895 г. французский физик Ж. Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи — это поток отрицательно заряженных частиц, которые движутся прямолинейно, но могут отклоняться магнитным полем. Сторонники волновой теории не были обескуражены этим опытом. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными лучами, т.е. теми особыми элементами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света.

Факт отклонения в магнитном поле мало влияет на решение вопроса о природе катодных лучей. Согласно фарадей-максвелловским воззрениям, на эфир могут действовать магнитные силы.

В этих условиях в 1894 году к экспериментам с катодными лучами приступил Дж. Дж. Томсон с сотрудниками.

Необходимы были строгие количественные эксперименты, которые дали бы возможность определить отношение заряда к массе — е/m для катодных лучей. То, что измерение величины удельного заряда явится решающим фактом, впервые осознал Дж. Дж. Томсон. С 1895 г. он начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги своей работы Дж. Дж. Томсон резюмировал в большой статье, опубликованной в 1897 г. в октябрьском номере журнала » Philosophical Magazihe» (существо своих опытов и высказывание гипотезы о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления чем атомы Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщения было опубликовано в «Electrican» 21 мая 1897 г.). Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно кинетической теории, молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности потенциалов, которую проходит заряд. Значение е/m оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических параметров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная. Значение отношения е/m было порядка 107 СГСЭ. Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 104 СГС Э. Дж. Дж. Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея, но обладающими массой, которая в 1000 раз меньше массы самого легкого атома, т.е. атома водорода.

Для достоверного вывода необходимо прямое измерение заряда одновалентных газовых ионов. Важность проблемы заставляет взяться за измерение заряда иона самого Дж. Дж. Томсона. Он впервые использует рентгеновские лучи в качестве орудия физического эксперимента. Интересно отметить, что рентгеновское излучение было результатом исследования свойств катодных лучей. В свою очередь лучи Рентгена сыграли большую роль в изучении частиц, составляющих катодный луч и в открытии спонтанной радиоактивности.

Эксперименты Дж. Дж. Томсона дали среднее значение заряда иона, равное 6,5 x 10 -10 СГСЭ. Этот результат и укрепил убеждение Томсона в существовании «материи в состоянии более тонкого дробления».

По существу, единственно, что удалось Томсону добиться – это измерить отношение масса/заряд для каких-то неведомых частиц, составляющих катодные лучи. Тем не менее он решился сделать вывод, что эти частицы являются фундаментальными составными частями обычного вещества.

В действительности эксперименты, проведенные Томсоном в 1897 г. не давали основания утверждать, что внутри атома существуют более мелкие частицы. Впрочем, Томсон и не утверждал, что он доказал это. Однако, в своих результатах Томсон уловил нечто такое, что подвело его к этим далеко идущим выводам .

Ни в одной из своих работ Томсон не применил термин “электрон”. Разъяснение по поводу применения термина “электрон” для обозначения частиц, составляющих катодные лучи, дал Ленард ( - г.г.) в своей Нобелевской лекции от 28 мая 1908 г. (“О катодных лучах”): “… необходимо перечислить названия, данные этим частичкам электричества, или центрам состояния: я назвал их, элементарными квантами электричества или, короче, квантами, как и Гельмгольц; Дж. Дж. Томсон говорит о корпускулах, лорд Кельвин об электрионах; но в обиход вошло название, которое предпочли Лоренц и Зееман, электрон”.

Выводы. Современной физике известна только одна долгоживущая элементарная частица, которая перемещается в пространстве с около световыми скоростями. Это – фотон .

Из экспериментов с катодными лучами следует, что катодные лучи это поток фотонов.

Термин «фотон» введён химиком Гилбертом Льюисом ( - г.г.) в 1926 году .

Выше изложенная история открытия электрона фактически является историей открытия фотона. И первым, кто заявил об этом, является Дж. Стоней. Потому, что «электрон», под которым понимался носитель электрического заряда неустановленной физической природы эквивалентный электрическому заряду, переносимому одновалентным ионом и есть фотон.

Структурный элемент атома вещества электрон, использованный Резерфордом для модели атома вещества, не имеет той физической сущности, которая была определена Стоуни и даже Лоренцом. Таким образом, все проведенные эксперименты (ранее и позднее опытов группы Резерфорда) по определению, например, величины электрического заряда относятся к экспериментам с фотоном. Величина электрического заряда электрона и протона в настоящее время не определена.

История открытия электрона это история ряда ошибок и недоработок, которые мифологизировали не только само открытие электрона, но и превратили современную теоретическую физику в сборник легенд и мифов.

Релятивисткая физика конца ХХ в. начала ХХI в. не решив проблемы физики прошлых лет, доведя теоретическую физику до кризиса, оставляет своим наследникам мифы о поисках нейтрино и бозона Хигса, теории Большого Взрыва и пр., при этом не имея представления об сущности электрона и других основных элементарных частицах (фотоне и протоне) и совершенно не имея представления о таких физических сущностях как электрический заряд. При этом подвергаются абструкции любые альтернативные попытки выявления физической природы различных физических явлений и выхода из сложившейся кризисной ситуации.

Литература:

1. http://bourabai.kz/tyapkin/electron.htm ТЯПКИН А. А. — ОБ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА
Фотон.

Лямин В. С., Лямин Д. В.

Дж.Дж.Томсон и его вклад в развитие физики
XX века

К 150-летию со дня рождения

Сто пятьдесят лет тому назад в Англии, в семье манчестерского букиниста, родился мальчик, который стал одним из виднейших учёных-физиков конца XIX – начала XX вв. Произошло это 18 декабря 1856 г., и ребёнком этим был Джозеф Джон Томсон . Вклад его в развитие физики впечатляет: экспериментальное открытие в 1897 г. электрона, отмеченное Нобелевской премией по физике (1906 г.); одна из первых моделей атома, в состав которой были включены электроны (1903 г.); первые опытные доказательства существования изотопов (1912 г.), создание крупной научной школы физиков, самым ярким представителем которой является Эрнест Резерфорд, – таков далеко не полный перечень того, что сделал в науке за свою долгую жизнь этот человек. Вот почему в год его юбилея представляется важным не только вспомнить о его научном наследии, но и попытаться оценить значение этого наследия для современности. И есть ещё одна причина. В сознании многих людей – как физиков-профессионалов, так и просто тех, кто интересуется историей науки, – имя этого учёного, которого современники кратко называли «Джи-Джи», с одной стороны, зачастую затмевается именами многих других выдающихся физиков минувшего столетия, а с другой стороны, ему порой ошибочно приписывают научные заслуги его старшего современника – Уильяма Томсона (1824–1907), получившего в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги титул лорда Кельвина (отметим, что последний не только предложил абсолютную шкалу температур, но и установил в 1853 г. изучаемую ныне в школе формулу Томсона для периода колебаний в колебательном контуре). Это обстоятельство также является причиной, по которой о Дж.Дж.Томсоне следует поговорить особо.

В юности Томсон хотел стать инженером и даже поступил в один из манчестерских колледжей соответствующего профиля. Но вскоре из-за смерти отца он был вынужден по причине недостатка средств прервать обучение инженерному делу. «Однако, изучив математику, физику и химию, ему в 1876 г. удалось получить стипендию в Тринити*-колледже, и именно с Кембриджским университетом связана вся дальнейшая академическая жизнь Томсона» . (*Слово «Trinity » в переводе с англ. означает «Троица», т.е. Тринити-колледж – это «Колледж св. Троицы».)

Университет Томсон окончил в 1880 г., и к этому времени (началу 90-х гг. XIX в.) относятся его первые научные работы. Они посвящены развитию электродинамики Максвелла. Так, решая задачу о движении заряженного шара, Томсон пришёл к выводу об увеличении кажущейся массы заряда за счёт энергии электростатического поля, и этот вывод получил своё дальнейшее развитие в начале ХХ в. в специальной теории относительности, в частности, в работах А.Пуанкаре. В 1884 г., в возрасте 28 лет, Томсон стал директором Кавендишевской лаборатории, сменив на этом посту Дж.У.Рэлея, и директорство продолжалось до 1918 г. А спустя год, в 1885 г., Томсон защитил диссертацию под названием «О некоторых приложениях принципов динамики к физическим явлениям», которую впоследствии Г.Герц называл «замечательным трактатом»: «Автор развивает здесь следствия динамики, которые наряду с ньютоновскими законами движения имеют в своей основе новые, не выраженные чётко предпосылки. Я мог бы примкнуть к этому трактату; фактически же моё собственное исследование уже значительно продвинулось, прежде чем я познакомился с этим трактатом» , – так писал о диссертации Томсона Герц в последний год своей жизни в предисловии к книге «Принципы механики, изложенные в новой связи» (1894).

Открытие электрона

1. Предыстория. В своей статье «Научная деятельность Вениамина Франклина» (1956) академик П.Л.Капица цитирует фрагмент одного из его писем, датированного 1749 г.: «Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, т.к. они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой лёгкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления». Комментируя эти слова, П.Л.Капица пишет: «В наши дни мы называем эти „крайне малые частицы” электронами. Далее Франклин рассматривал любое тело как губку, насыщенную этими частицами электричества. Электризация тел состоит в том, что тело, имеющее избыток электрических частиц, положительно заряжено; если тело имеет недостаток этих частиц, оно заряжено отрицательно» .

Таким образом, догадки о существовании частиц, являющихся носителями электрического заряда, высказывались ещё в XVIII в. Первую попытку построения электродинамики, основанной на представлении о зернистом строении «электрического флюида» предпринял в 40-е гг. XIX в. немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891), который считал эти частицы невесомыми и именовал их «электрическими массами», по сути, отождествляя термин «масса» с термином «заряд». В электродинамике Максвелла, разрабатывавшейся им в основном в 60-е гг. XIX в. о подобного рода частицах не упоминается: в ней господствует полевой подход, и электричество трактуется как перемещающаяся в проводниках некая несжимаемая жидкость. Попытку привнести идею дискретности электрических зарядов в электродинамику Максвелла предпринял впервые в 1878 г. Г.Лоренц. Так, в 1892 г. в работе «Электромагнитная теория Максвелла и её приложение к движущимся телам» Лоренц писал: «Достаточно будет допустить, что все весомые тела содержат множество маленьких частиц, заряженных положительно или отрицательно, и что все электрические явления вызываются смещением этих частиц. Согласно этому представлению электрический заряд обусловлен избытком частиц одного определённого знака, электрический ток обусловлен потоком этих частичек, а в весомых изоляторах имеет место „диэлектрическое смещение”, если содержащиеся в них наэлектризованные частицы оказываются удалёнными от своих положений равновесия.

Эти гипотезы не содержат ничего нового в отношении электролитов, и они представляют известную аналогию с идеями относительно металлических проводников, бытовавших в старой теории электричества. От атомов электрической жидкости до заряженных корпускул не так уже далеко» .

Особо следует отметить исследования, касавшиеся особенностей электрических явлений в разреженных газах. В 70-е гг. немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930) ввёл в физику понятие катодных лучей и предположил, что по своей природе они аналогичны свету с той лишь разницей, что свет испускается телом вокруг себя по всем направлениям, а катодные лучи испускаются лишь перпендикулярно поверхности катода, но оба процесса по природе относятся к волновым. Опыты Гольдштейна в конце 70-х гг. XIX в. в усовершенствованном виде повторил выдающийся английский физик Уильям Крукс (1832–1919). Введя в газоразрядную трубку радиометр, им же сконструированный ещё в 1873 г., Крукс обнаружил его вращение под действием катодных лучей, из чего сделал вывод, что эти лучи переносят энергию и импульс. Поместив в трубку на пути катодных лучей металлический крест, Крукс обнаружил его тень на флуоресцирующем стекле трубки и пришёл к заключению, что катодные лучи распространяются прямолинейно. Он же опытным путём убедился в том, что эти лучи можно отклонять в ту или в другую сторону магнитом. Лучи он именовал неким четвёртым или ультрагазообразным состоянием вещества, либо лучистой материей , имеющей, однако, корпускулярную природу, трактуемую в космическом масштабе: «При изучении этого четвёртого состояния вещества создаётся представление, что мы имеем наконец в своём распоряжении „окончательные” частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной» .

Корпускулярной концепции природы катодных лучей противостояла уже упоминавшаяся волновая концепция. Крукс полагал, что катодные лучи есть молекулы остаточного газа, содержащегося в газоразрядной трубке; соприкоснувшись с катодом, они получают от него отрицательный заряд и отталкиваются от катода. Но тогда они должны отклоняться электрическим полем. Опыты же, которые проводил Г.Герц, показали, что электрическим полем они не отклоняются. В 1892 г. Герц опытным путём убедился в том, что катодные лучи могут проходить сквозь тонкие алюминиевые пластинки. Но если это так, то непонятно, каким образом наэлектризованные молекулы могут проходить сквозь металл. С другой стороны, магнитное поле на световые волны не действует, а опыты Крукса показывали, что данное поле действует на катодные лучи. Таким образом, в начале 90-х гг. XIX в. возникла проблема, которая нуждалась в разрешении. Что есть катодные лучи – волны или частицы?

2. Ж.Перрен и Дж.Томсон – решение проблемы природы катодных лучей . На рис. 1 показана схема опыта, который осуществил в 1895 г. Жан Батист Перрен (1870–1942). Внутри разрядной трубки перед катодом N на расстоянии 10 см помещался соединённый с электроскопом металлический цилиндр ABCD (закрытый кожухом EFGH ) с небольшим отверстием напротив катода. При работе трубки в цилиндр проникал пучок катодных лучей, при этом цилиндр всегда получал отрицательный заряд. Если с помощью магнита отклоняли катодные лучи так, чтобы они не попадали внутрь цилиндра, электроскоп не давал никаких показаний. Уже отсюда можно было заключить, что катодные лучи несут отрицательные электрические заряды, а стало быть речь идёт о потоке частиц.

Однако сторонники волновой концепции выдвигали следующее возражение. Допуская, что катод может излучать заряженные частицы, они отрицали, что именно эти частицы являются катодными лучами. При попадании катодных лучей на стенку трубки последняя начинала светиться, но свечение и выброс катодом частицы, по их мнению, могли быть двумя разными явлениями, подобно тому как разными явлениями являются вылет из ствола орудия артиллерийского снаряда и сопровождающая это процесс вспышка.

Требовалось экспериментально доказать, что выброс катодом заряженных частиц и свечение стенки разрядной трубки взаимосвязаны, что речь идёт не о разных физических явлениях, а об одном. Эти доказательства и были представлены Дж.Дж.Томсоном в его опытах 1897 г., являвшихся вариантами опытов Перрена. Цилиндр с отверстием располагался не перед катодом, а сбоку от него, для чего была изменена геометрия самой трубки, рис. 2. В этом случае изначально наблюдалась флуоресценция стеклянной стенки трубки, но она исчезала, когда катодные лучи отклоняли магнитом и «уводили» в отверстие цилиндра, связанного с электроскопом, который регистрировал отрицательный заряд. Так было доказано, что свечение стенки трубки и зарядку цилиндра вызывают одни и те же частицы. А кроме того, Томсон в своих опытах сумел сделать то, что не удалось сделать Герцу: он сумел добиться отклонения катодных лучей электрическим полем (в опытах Герца всё портила проводимость остаточного газа в трубке, возникавшая под действием катодных лучей).

Итак, катодные лучи есть частицы. Какие? Каковы их свойства, их особенности? На эти вопросы Томсон отвечал, описывая их движение законами механики. Например, в электростатическом поле они должны вести себя так же, как ведут себя падающие тела вблизи поверхности Земли. Если, например, положительно заряженная частица оказывается в пространстве между двумя горизонтальными пластинами, верхняя из которых заряжена положительно, а нижняя отрицательно, то эта частица будет отталкиваться от верхней пластины и притягиваться к нижней, т.е. двигаться с ускорением вниз. Если эта частица влетает в пространство между этими пластинами со скоростью, направленной параллельно плоскостям пластин, то она будет приближаться к нижней пластине по параболической траектории, т.е. двигаться так же, как падает на поверхность Земли камень, брошенный со скоростью, направленной параллельно земной поверхности. Если же в пространстве между пластинами существует ещё и магнитное поле, направленное либо за чертёж, либо из чертежа то, во-первых, на исследуемую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца (магнитная сила), и по её направлению можно судить о знаке заряда, а во-вторых, электрическая и магнитная силы могут компенсировать друг друга, если окажутся направленными в противоположные стороны. Электрическая сила вычисляется как произведение заряда частицы на напряжённость электрического поля; магнитная сила вычисляется как произведение этого заряда на скорость частицы и на индукцию магнитного поля (пусть угол между векторами скорости и индукции составляет 90°). Тогда получаем eE = e B , т.е. E = B . Отсюда сразу видно, что скорость движения заряженной частицы вычисляется, как отношение напряжённости электрического поля E к индукции магнитного поля B . Однако известно, что сила Лоренца сообщает заряженной частице центростремительное ускорение 2 /r ; тогда и можно найти значение удельного заряда частицы, т.е. отношение заряда к массе частицы:

Из этого результата видно следующее. Удельный заряд исследуемой частицы зависит от индукции магнитного поля и от напряжённости электрического поля (т.е. от разности потенциалов между пластинами). Удельный заряд частицы не зависит от химических свойств остаточного газа в трубке, от геометрической формы трубки, от материала, из которого изготовлены электроды, от скорости катодных лучей (в опытах Томсона 1897 г. эта скорость составляла 0,1с , где с – скорость света в вакууме) и ни от каких иных физических параметров. Катодные лучи не являются ионами остаточного газа, вылетающими с катода, как полагал Крукс, но всё же это частицы. И если их удельный заряд – константа, то речь идёт об одинаковых частицах. Выразив массу этих частиц в граммах, а заряд в СГСМ, как это было принято в те времена, Томсон получил удельный заряд частиц равным 1,7 10 7 ед. СГСМ/г. О высокой точности его эксперимента говорит то, что современное значение удельного заряда электрона равно (1,76 ± 0,002)10 7 ед. СГСМ/г.

Исходя из полученного значения удельного заряда можно было попытаться оценить массу частиц. Ко времени проведения опытов уже было известно значение удельного заряда иона водорода (10 4 ед. СГСМ/г). Термин «электрон» к тому времени также существовал, его ввёл в обиход в 1891 г. ирландский физик и математик Джордж Стоней (1826–1911) для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе, а после исследований Томсона этот термин был перенесён на открытые им частицы. И если предположить, что заряд и масса электрона так или иначе связаны с соответствующими значениями для иона водорода, то были возможны два варианта:

а ) масса электрона равна массе иона водорода, – тогда заряд электрона должен быть больше, чем заряд иона водорода, в 10 3 раз. Однако исследования немецкого физика Филиппа Ленарда показали нереальность подобного предположения. Им было установлено, что средний свободный пробег частиц, образующих катодные лучи, составляет в воздухе 0,5 см, в то время как для иона водорода он меньше, чем 10 –5 см. Значит, масса вновь открытых частиц должна быть малой;

б ) заряд частицы равен заряду иона водорода, но в таком случае масса данной частицы должна быть меньше массы иона водорода в 10 3 раз. На этом варианте остановился Томсон.

Всё же было бы лучше каким-то образом напрямую измерить либо заряд электрона, либо его массу. Решению проблемы помогло следующее обстоятельство. В том же 1897 г., когда Томсон ставил свои опыты по изучению катодных лучей, его ученик Чарльз Вильсон установил, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе капельки пара, и начинается образование капельки воды, которая растёт до тех пор, пока не станет видимой. (В дальнейшем, в 1911 г., сам Вильсон использовал это открытие, создав свой знаменитый прибор – камеру Вильсона). Томсон воспользовался открытием своего ученика так. Допустим, что в ионизированном газе есть некоторое количество ионов, имеющих одинаковый заряд, и эти ионы движутся с известной скоростью . Быстрое расширение газа приводит к его перенасыщению, и каждый ион становится центром конденсации. Сила тока равна произведению числа ионов на заряд каждого иона и на его скорость . Сила тока может быть измерена, скорость движения ионов тоже, и если как-то определить число частиц, то можно найти и заряд одной частицы. Для этого, во-первых, измерялась масса сконденсировавшегося водяного пара, а во-вторых, масса одиночной капельки. Последняя находилась следующим образом. Рассматривалось падение капелек в воздухе. Скорость этого падения под действием силы тяжести равна, по формуле Стокса,

– коэффициент вязкости среды, в которой падает капля, т.е. воздуха. Зная эту скорость, можно найти радиус капельки r и её объём, полагая капельку сферической. Умножив этот объём на плотность воды, находим массу одной капельки. Разделив общую массу сконденсированной жидкости на массу одной капельки, найдём их число, которое равно числу ионов газа, через которое находится заряд одного иона. Как среднее большого числа измерений Томсон получил для искомого заряда значение 6,5 10 –10 ед. СГСМ, что вполне удовлетворительно согласовывалось с уже известным в то время зарядом иона водорода.

Метод, о котором говорилось выше, был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. Над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, которая своим притяжением уравновешивала действующую на каплю силу тяжести. Из этого условия можно было найти заряд ядра конденсации. Уместен вопрос: является ли в действительности заряд капли зарядом электрона? Разве это не заряд ионизованных молекул, который отнюдь не обязан быть априори равен заряду электрона? Томсон показал, что заряд ионизованной молекулы действительно равен заряду электрона, появляется независимо от способа ионизации вещества и всегда оказывается равным заряду одновалентного иона при электролизе. Подставив же значение этого заряда в выражение для удельного заряда электрона, можно найти массу последнего. Эта масса оказывается меньше массы иона водорода примерно в 1800 раз. В настоящее время приняты следующие значения фундаментальных постоянных: заряд электрона равен 1,601 10 –19 Кл; масса электрона 9,08 10 –28 г, что меньше массы атома водорода примерно в 1840 раз.

В связи с исследованиями Томсоном свойств и природы катодных лучей хотелось бы также упомянуть о его вкладе в исследование природы фотоэффекта. В механизме этого явления в то время ясности не было – ни в работах А.Г.Столетова (умершего в мае 1896 г., т.е. до открытия электрона), ни в работах европейских физиков – итальянца А.Риги, немца В.Гальвакса, – а тем более в исследованиях Г.Герца, который умер ещё в 1894 г. Томсон в 1899 г., исследуя фотоэффект по экспериментальной методике, схожей с методикой исследования свойств катодных лучей, установил следующее. Если полагать, что электрический ток, возникающий при фотоэффекте, есть поток отрицательно заряженных частиц, то можно теоретически рассчитать движение частицы, образующей этот ток, одновременно действуя на неё электрическим и магнитным полями. Эксперименты Томсона подтвердили: ток между двумя противоположно заряженными пластинами при освещении катода ультрафиолетовыми лучами есть поток отрицательно заряженных частиц. Измерения заряда этих частиц, проведённые по той же методике, по которой ранее Томсон измерял заряд ионов, дали среднее значение заряда, по порядку величины близкое к значению заряда частиц, образующих катодные лучи. Отсюда Томсон заключил, что в обоих случаях следует говорить о частицах одной и той же природы, т.е. об электронах.

Атом Томсона. Проблема «увязки» открытых электронов со строением вещества была поставлена Томсоном уже в его работе по определению удельного заряда электронов. Первая модель атома, предложенная Томсоном, базировалась на опытах А.Майера (США) с плавающими магнитами, которые проводились ещё в конце 70-х гг. XIX в. Эти опыты заключались в следующем. В сосуде с водой плавали пробки, в которые были вставлены слегка выглядывавшие из них намагниченные иглы. Полярность видневшихся концов игл была на всех пробках одной и той же. Над этими пробками на высоте около 60 см располагался противоположным полюсом цилиндрический магнит, и иглы притягивались к магниту, одновременно отталкиваясь друг от друга. в итоге эти пробки самопроизвольно образовывали различные равновесные геометрические конфигурации. Если пробок было 3 или 4, то они располагались в вершинах правильного многоугольника. Если их было 6, то 5 пробок плавали в вершинах многоугольника, а шестая оказывалась в центре. Если же их было, к примеру, 29, то одна пробка опять-таки находилась в центре фигуры, а остальные располагались вокруг неё кольцами: в ближнем к центру кольце плавали 6, в следующих кольцах по мере удаления от центра соответственно 10 и 12. Эту механическую конструкцию Томсон перенёс на строение атома, видя в ней возможность объяснения закономерностей, заложенных в Периодической системе Д.И.Менделеева (имеется в виду послойное распределение электронов в атоме). Однако в данном случае оставался открытым вопрос о конкретном числе электронов в атоме. И если предположить, что электронов, например, несколько сотен (особенно с учётом того, что масса электрона ничтожна по сравнению с массой иона водорода), то изучение поведения электронов в такой конструкции практически невозможно. Поэтому уже в 1899 г. Томсон видоизменил свою модель, предположив, что нейтральный атом содержит большое число электронов, отрицательный заряд которых компенсируется «чем-то, что делает пространство, в котором рассеяны электроны, способным действовать так, как если бы оно имело положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов» .

Спустя несколько лет в журнале «Philosophical Magazine » (№ 2, 1902 г.) появилась работа другого Томсона – Уильяма, известного как лорд Кельвин, – в которой рассматривалось взаимодействие электрона с атомом. Кельвин утверждал, что внешний электрон притягивается к атому с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния от центра электрона до центра атома; электрон же, входящий в состав атома, притягивается к последнему с силой, прямо пропорциональной расстоянию от центра электрона до центра атома. Отсюда видно, в частности, что Кельвин рассматривает электроны не только как самостоятельные частицы, но и как составную часть атома. Этот вывод «равносилен допущению о равномерном распределении положительного электричества в пространстве, занимаемом атомом обычной материи. Из этого следовало, что существует два рода электричества: отрицательное, зерновидное, и положительное, в виде непрерывного облака, как обычно представляли себе „флюиды” и, в частности, эфир» . В целом можно сказать, что, по Кельвину, в атоме наличествуют равномерное сферическое распределение положительного электрического заряда и определённое количество электронов. Если речь идёт об одноэлектронном атоме, то электрон должен находиться в центре атома, будучи окружённым облаком положительного заряда. Если же в атоме находятся два или больше электронов, то встаёт вопрос об устойчивости такого атома. Кельвин высказал допущение, что, по-видимому, электроны вращаются вокруг центра атома, будучи расположенными на сферических поверхностях, концентричных границе атома, и эти поверхности также находятся внутри атома. Но в этом случае возникают проблемы: при движении заряженной частицы должно возникнуть магнитное поле, а при движении с ускорением (а вращающийся электрон неизбежно имеет центростремительное ускорение) должно иметь место электромагнитное излучение. Исследованием этих вопросов и занимался Томсон, оставаясь в течение примерно пятнадцати лет сторонником идей Кельвина.

Уже в 1903 г. Томсон установил, что вращающиеся электроны должны порождать эллиптически поляризованные световые волны. Что же касается магнитного поля вращающихся зарядов, то, как показывает теория, при вращении электронов под действием силы, пропорциональной расстоянию от заряда до центра вращения, объяснить магнитные свойства вещества можно лишь при условии рассеяния энергии. На вопрос о том, существует ли реально такое рассеяние, Томсон внятного ответа не дал (по-видимому, понимая, что наличие такого рассеяния породит проблему устойчивости конструкции атома).

В 1904 г. Томсон рассмотрел проблему механической устойчивости атомной структуры. Несмотря на то, что ныне такой подход воспринимается как анахронизм (поведение частиц, образующих атом, следует рассматривать с позиций не классической, а квантовой механики, о которой в те времена не было известно решительно ничего), на результатах, полученных Томсоном, всё же имеет смысл остановиться.

Во-первых, Томсон установил, что электроны в атоме должны быстро вращаться и скорость этого вращения не может быть меньше некоторой предельной. Во-вторых, если число электронов в атоме больше восьми, то электроны должны располагаться несколькими кольцами, и число электронов в каждом кольце должно расти с ростом радиуса кольца. В-третьих, для радиоактивных атомов скорость электронов вследствие радиоактивного излучения должна постепенно убывать, и на некотором пределе убывания должны происходить «взрывы», приводящие к образованию новой атомной структуры.

Ныне общепризнана появившаяся в 1910 г. планетарная модель Резерфорда, впоследствии усовершенствованная с квантовых позиций Н.Бором. Тем не менее модель Томсона ценна в плане постановки: 1) проблемы связи числа электронов и их распределения с массой атома; 2) проблемы природы и распределения в атоме положительного заряда, компенсирующего общий отрицательный электронный заряд; 3) проблемы распределения массы атома. Эти проблемы решались в процессе последующего развития физики ХХ в., и их решение в итоге привело к современным представлениям о строении атома.

Экспериментальное доказательство существования изотопов. Сама мысль о том, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь разные атомные массы, возникла задолго до того, как Томсон начал заниматься «изотопной проблемой». Эту мысль в XIX в. высказывал основоположник органической химии А.М.Бутлеров (1882) и несколько позже У.Крукс (1886). Первые радиоактивные изотопы получил в 1906 г. американский химик и одновременно физик Б.Болтвуд (1870–1927) – два изотопа тория с разными периодами полураспада. Сам термин «изотоп» несколько позже ввёл Ф.Содди (1877–1956) после того, как им были сформулированы правила смещения для радиоактивного распада. Что же касается Томсона, то он в 1912 г. экспериментально изучал свойства и особенности так называемых каналовых лучей , и о том, что это такое, следует сказать несколько слов.

Речь идёт о потоке положительных ионов, движущихся в разреженном газе под действием электрического поля. При соударении электронов с газовыми молекулами у катода в области тлеющего разряда и катодного падения потенциала молекулы расщепляются на электроны и положительные ионы. Эти ионы, разгоняясь электрическим полем, приходят к катоду с большой скоростью. Если в катоде имеются отверстия по направлению движения ионов, либо если сам катод имеет форму сетки, то часть ионов, пройдя по этим каналам, окажется в закатодном пространстве. Изучением поведения таких ионов начал заниматься ещё в 80-е гг. XIX в. ранее упоминавшийся Э.Гольдштейн. Томсон же в 1912 г. изучал воздействие на каналовые лучи (конкретно для ионов неона) одновременно электрического и магнитного полей по той методике, о которой уже говорилось (имеется в виду томсоновский «метод парабол»). Пучок ионов неона в его опытах разделялся на два параболических потока: яркий, соответствовавший атомной массе 20 и более слабый, соответствовавший атомной массе 22. Из этого Томсон сделал вывод о том, что содержащийся в атмосфере Земли неон является смесью двух разных газов. Ф.Содди оценил результаты исследований Томсона следующим образом: «Это открытие представляет собой самое неожиданное приложение того, что было найдено для одного конца Периодической системы, к элементу другого конца системы; оно подтверждает предположение о том, что структура материи вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе» . Результат имел огромное значение не только для атомной физики, но и для последующего развития физики экспериментальной, ибо указывал способы измерения масс различных изотопов.

В 1919 г. ученик и ассистент Томсона Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) построил первый масс-спектрограф, с помощью которого опытным путём доказал наличие изотопов у хлора и ртути. В масс-спектрографе применяется именно томсоновский метод отклонения заряженных частиц под действием двух полей, электрического и магнитного, однако в приборе Астона применялось фотографирование разделённых потоков ионов с разными атомными массами, а кроме того, использовалось отклонение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях – в одной и той же плоскости, но в противоположных направлениях. Физика же работы масс-спектрографа в главном состоит в следующем. «Ионы исследуемого вещества, проходя вначале электрическое, а затем магнитное поле, попадают на фотопластинку и оставляют на ней след. Отклонение ионов зависит от отношения e /m , одинакового для всех ионов (или, лучше сказать, от ne /m , потому что ион может нести более одного элементарного заряда). Поэтому все ионы одинаковой массы концентрируются в одной и той же точке фотопластинки, а ионы другой массы – в других точках, так что по точке попадания иона на пластинку можно определить его массу» .

В заключение – несколько слов о созданной Томсоном научной школе. Его учениками являются такие крупнейшие физики ХХ в., как П.Ланжевен, Э.Резерфорд, Ф.Астон, Ч.Вильсон. Трое последних в разные годы, как и сам Томсон, были отмечены Нобелевскими премиями по физике. Особо отметим его сына. Отец-Томсон экспериментально доказал сам факт существования электрона, а сын, Джордж Паджет Томсон был удостоен в 1937 г. Нобелевской премии за экспериментальное доказательство волновой природы электронов (1927; в том же году независимо от Томсона-младшего аналогичные исследования провёл К.Дэвиссон совместно со своим сотрудником Л.Джермером. Оба были физиками из США; Дэвиссон был также удостоен Нобелевской премии). Вот как оценивал эти исследования в 1928 г. Эрвин Шрёдингер: «Некоторые исследователи (Дэвиссон и Джермер и молодой Дж.П.Томсон) приступили к выполнению опыта, за который ещё несколько лет назад их бы поместили в психиатрическую больницу для наблюдения за их душевным состоянием. Но они добились полного успеха» .

После 1912 г., отмеченного экспериментальным доказательством существования изотопов, Томсон прожил ещё двадцать восемь лет. В 1918 г. он покинул пост директора Кавендишевской лаборатории (его место занял Резерфорд) и далее до конца своих дней возглавлял тот самый Тринити-колледж, откуда начинался когда-то его путь в науку. Умер Джозеф Джон Томсон на 84-м году жизни 30 августа 1940 г. и был похоронен в Вест-минстерском аббатстве – там же, где обрели вечный покой Исаак Ньютон, Эрнест Резерфорд, а из деятелей английской литературы – Чарльз Диккенс.

Литература

1. Жизнь науки. Под ред. Капицы С.П. – М.: Наука, 1973.

2. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. – М.: Наука, 1981.

3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. – М.: Наука, 1979.

4. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.

Гипотеза о существовании атомов, тех неделимых частиц, различные конфигурации которых в пустоте образуют окружающий нас объективный мир, так же стара, как и наша цивилизация:

«На тела основные природа все разлагает» .

Твердые, обладающие массой и неделимые атомы Ньютона; атомы в кинетической теории, средняя кинетическая энергия которых отождествляется с температурой тела; атомы в химии, стройные комбинации которых обнаруживаются в химических реакциях; водородный атом, из различных сочетаний которого Проут составлял все элементы. Понятие атома существует уже по крайней мере 25 столетий, хотя часто оно отодвигалось на второй план или было в загоне.

Но что такое атом? И какой смысл следует вкладывать в этот вопрос? К концу девятнадцатого века, когда завершилось создание классической теории и появились новые технические средства, все

настойчивее стал звучать старый вопрос: какова природа атома? Эта тема и ее вариации стали лейтмотивом физики двадцатого столетия.

На исходе девятнадцатого века было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался (с помощью индукционной катушки или электростатической машины, создающих большие разности потенциалов) между отрицательным электродом, названным катодом, и положительным электродом, названным анодом, причем оба электрода запаивались внутрь стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. Когда воздух в трубке становился достаточно разреженным, темная область вокруг катода, известная под названием темного круксова пятна, постепенно расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который начинал после этого светиться, причем цвет свечения зависел от сорта стекла, из которого была сделана трубка.

Если в трубку ввести различные экраны, например, как на фиг. 62, то светиться будет небольшое пятно, расположенное на конце трубки, как будто что-то проходит через отверстия в экране и, достигая стекла, вынуждает его светиться. Это что-то окрестили катодными лучами.

В конце девятнадцатого века происходили оживленные дискуссии о природе этих лучей. Некоторые считали, что лучи, подобно свету, обязаны своим происхождением процессам в эфире; другие же полагали, что они состоят из электрически заряженных частиц. В 1895 г. Жану Перрену удалось собрать эти лучи в изолированном сосуде и доказать, что они несут отрицательный заряд. Вскоре после этого Дж. Дж. Томсон осуществил свой классический эксперимент, в котором он впервые отождествил катодные лучи с частицами, названными позднее электронами. Он писал:

«Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены с целью получения некоторой информации о природе катодных лучей. По поводу этих лучей существуют совершенно противоположные точки зрения; согласно почти единодушному мнению германских физиков, они вызываются какими-то процессами в эфире, которым - ввиду того, что их путь в однородном магнитном поле является не прямолинейным, а круговым - ни в одном из ранее наблюдавшихся явлений нет аналога; согласно

другому мнению, эти лучи далеко не эфирного происхождения, а материального и являются просто потоком частиц материи, заряженных отрицательным электричеством» .

Фиг. 63. Схема установки Томсона (взято из ).

Создавая электрическое поле между пластинами, обозначенными на фиг. 63 буквами и или магнитное поле, направленное перпендикулярно направлению распространения лучей, Томсон наблюдал смещение светящегося пятна на конце трубки; чем сильнее были электрическое или магнитное поля, тем больше смещалось пятно. Убедившись, что это явление не зависит от того, какой газ находится в трубке, Томсон писал:

«Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали бы на нее отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи. Тогда встает вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провел целый ряд измерений отношения массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими» .

В то же самое время сила, действующая на заряженную частицу со стороны магнитного поля В, перпендикулярного направлению ее движения:

Если, например, частица заряжена отрицательно, а электрическое поле направлено от к то электрическая сила будет отклонять частицу вниз. Магнитная же сила, действующая на частицу, которая движется в магнитном поле, направленном так, как показано на фиг. 64, будет отклонять частицу вверх: Поэтому, подбирая напряженности электрического и магнитного полей так, чтобы светящееся пятно оставалось несмещенным, Томсон тем самым выравнивал силы, действующие на частицы со стороны электрического и магнитного полей:

Отсюда он узнавал скорость гипотетических частиц. Затем, выключая электрическое поле и варьируя напряженность магнитного поля, он мог изменять величину отклонения частиц в конце трубки. Зная время, в течение которого частицы находились в магнитном поле (так как он знал их скорость), Томсон тем самым мог рассчитать действие на них этого поля. Отсюда по измеренной величине отклонения ему удалось определить отношение заряда частиц к их массе.

В конце концов он получил следующую величину отношения массы к заряду для своих гипотетических частиц

В заключение Томсон писал:

«Из этих измерений видно, что величина не зависит от природы газа, а ее значение очень мало по сравнению с величиной являющейся наименьшим из ранее известных значений для этого отношения и относящейся к ионам водорода, которые участвуют в электролизе.

Таким образом, величина отношений для носителей электричества в катодных лучах значительно меньше, чем соответствующая величина в электролизе. Малость объясняется либо малостью либо большим значением либо и тем и другим одновременно» .

Этот носитель электричества, активная составная частица катодных лучей, был назван со временем электроном, который явился первой элементарной частицей двадцатого столетия.

Позднее Томсон писал:

«Моя первая попытка отклонить пучок катодных лучей состояла в пропускании их между двумя параллельными металлическими пластинами, укрепленными внутри разрядной трубки, и возбуждении электрического поля между этими пластинами. Таким способом получить регулярное отклонение мне не удалось... Отсутствие отклонения объяснялось наличием в трубке газа (давление оставалось слишком высоким), поэтому было необходимо получить более высокий вакуум. Но это было легче сказать, чем осуществить. Техника получения высокого вакуума в те дни находилась в зачаточном состоянии» .

Уже не в первый раз осуществление решающего эксперимента наталкивалось не на трудности его идейного замысла, а на отсутствие необходимых технических средств.

После измерений Томсона чрезвычайно важно было определить либо величину заряда, либо массу этих частиц по отдельности. Заряд газообразных ионов, измеренный ранее в лаборатории Томсона, равнялся примерно Полагая, что заряд этих ионов такой же, как и заряд, переносимый катодной частицей, нетрудно показать, что масса этих частиц чрезвычайно мала:

В те годы Томсон называл катодные частицы «корпускулами», или изначальными атомами; слово «электрон» использовалось им для обозначения количества заряда, переносимого «корпускулой». Однако со временем электроном стали называть саму частицу. Значительно позднее (в 1909 г.) Милликен, измеряя величину заряда на капельках масла, установил, что элементарный заряд (предполагалось, что его величина такая же, как и заряд электрона) равен приблизительно Приведем современные значения заряда и массы электрона: