Нетрудно себе представить, какие широкие перспективы открыл метод Томсона, когда физика стала располагать, кроме электрона, другими электрически заряженными частицами, с различными m и е. Этот метод был опубликован Томсоном впервые в журнале «Тhе London Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science» за 1899 год.
В своей статье он описывал также опыты, когда частицы наблюдались не только в различных газах, но и под действием разнообразных возбудителей электропроводности газа. Что это означало? Чрезвычайно важный шаг в работах Томсона: частицы с удивительным отношением m/e наблюдались не только в катодных лучах, но и в электрически ионизованных газах, подвергнутых воздействию рентгеновых лучей или ультрафиолетового облучения. Вот уж теперь можно было говорить об универсальной частице материи: ведь она существует не только в катодных лучах, проходящих через различные газы, но и в газах, подвергнутых ионизации. Эти последние эксперименты — также интересный материал для пытливого историка науки.
Наконец Томсон совершил, казалось бы, совсем необоснованный скачок: он перешел от исследования газов и катодных лучей к изучению электрически заряженного облачка над накаленной угольной нитью. И что же? Над этим первобытным накаленным катодом также носились корпускулы с неизменным отношением m/e. В ходе новых экспериментов Томсон стал исправлять свои ошибки: отношение m/e оказалось у него теперь значительно более точным, чем раньше, и приближалось к его современному значению.
И вот здесь-то у читателя должно возникнуть некоторое сомнение в убедительности вывода Томсона о том, что малость отношения m/e неопровержимо доказывает, что сама масса неизвестных «корпускул» чрезвычайно мала. В самом деле: ведь мы еще не знаем, каков сам заряд этих частиц е! Может оказаться, что этот заряд так велик, что служит причиной малой величины отношения!
Читатель, ты вправе высказать это сомнение, пока тебе, как и Джи-Джи до 1898 года, еще неизвестна величина электрического заряда электрона.
«…Итак, я определил величину отношения массы m к заряду е в потоке отрицательного электричества, из которого состоят катодные лучи, — писал тогда Томсон. — Результат показал, что величина этого отношения гораздо меньше, чем отношение массы к заряду ионов при электролизе растворов солей и кислот, и что она не зависит ни от природы газов, через которые распространяется электрический разряд, ни от материала электродов. Однако в этих экспериментах определялось только отношение m/e, но не раздельно m и е. Поэтому можно было предположить, что малость этого отношения обусловлена либо большим зарядом е, превышающим заряд ионов в электролитах, либо масса m неизвестных «корпускул» меньше массы любого известного иона. Несмотря на то, что у нас были основания предполагать, что заряд е лишь незначительно отличается от зарядов ионов в электролитах и что мы имеем дело с массами, меньшими атома, тем не менее я счел эти соображения косвенными и хотел, если это возможно, определить непосредственным измерением m или е. Для катодных лучей я не видел удовлетворительного метода, чтобы это сделать…»
Первый метод непосредственного измерения заряда электрона был открыт Томсоном совместно с Вильсоном и Таунсендом. Как мы уже знаем, Чарльз Вильсон обнаружил, что при резком расширении и охлаждении газа, заключенного в камеру с подвижным поршнем, капельки тумана выпадают не только на частицах пыли, взвешенной в воздухе, но и тогда, когда газ тщательно очищен. «Ядра», на которых конденсируются капельки воды, оказались электрически заряженными ионами — теми самыми «голубчиками ионами», о которых распевали песню кавендишевские ученики Джи-Джи и которых Резерфорд ласково называл «веселыми малышами».
Отношение m/e у них было точно таким же, как у «корпускул» в катодных лучах.
Томсон и Вильсон немедленно начали охоту на «веселых малышей». Создавать эти ионы в охлажденном газе они научились: достаточно облучить туманную камеру Вильсона рентгеновыми или ультрафиолетовыми лучами. А чтобы их поймать и подсчитать, надо было определить, сколько капель воды содержится в кубическом сантиметре облака тумана. Правда, для этого требовалось много дополнительных параметров: степень расширения газа, количество воды в одном кубическом сантиметре облака, размер каждой капли и т. д. Все эти величины были измерены и вычислены Томсоном и Вильсоном изящными и остроумными методами. Участвовал в работе и Резерфорд. Он первый ввел в физику газового разряда представление о подвижности ионов в различных газах и дал расчет этой величины, необходимый для определения заряда электрона.
Зная, как вычислить число заряженных ионов в одном кубическом сантиметре облака тумана, Томсон смог поставить эксперимент, позволяющий определить заряд этих ионов. Он направил поток ионов на электрически заряженную пластину, соединенную с конденсатором. Количество электричества, попадающее на эту пластину, измерялось электрометром. Приравнивая эту величину формуле для потока ионов, выраженного через их подвижность, плотность в одном кубическом сантиметре, величину их электрического заряда е и геометрические параметры камеры и конденсатора, можно было рассчитать заряд иона е. Он оказался равным 6,8 Х 10-10 электростатических единиц. Конечно, несмотря на грубую погрешность по сравнению с современными значениями заряда электрона, Томсону было нетрудно сделать заключение, что заряд этих ионов равен заряду иона водорода в электролизе, а если так, то малая величина» обусловлена именно малостью массы носителей заряда, которая, по данным Томсона, была примерно в тысячу раз меньше массы самого легкого иона — водорода.
Возвращаясь к катодным лучам, Томсон сделал окончательный вывод:
«Создание отрицательного электричества связано с расщеплением атома. В настоящее время мы еще не располагаем данными о том, какова физическая природа массы этих отрицательных частиц: обусловлена ли она целиком электрическим зарядом?»
Здесь мы должны честно признаться, что и современная физика не располагает достоверными данными о том, какова природа массы электрона: электрическая, гравитационная или электромагнитная?
Далее Томсон пишет:
«Я представляю себе атом, состоящий из большого числа малых частиц, которые я буду называть корпускулами. Масса этих корпускул равна массе отрицательного иона в газе, то есть около 3X10-26 грамма. В нормальном атоме этот ансамбль корпускул образует электрически нейтральную систему…»
Мы помним, что модель атома Томсона была похожа на кекс с изюмом, в котором отрицательные изюминки нейтрализуются равномерно распределенным положительным зарядом. Однако не будем смеяться над наивностью Томсона. Заглянем еще раз в его историческую статью об открытии электрона и убедимся в том, что здесь Томсон впервые в истории науки осмелился высказать невероятное предположение о том, что «корпускулы» обладают изменчивой массой, зависящей от скорости их движения! Да, именно это положение теории относительности было впервые выдвинуто Томсоном, исходя из очень простых, наглядных физических соображений. Не будем строги к старым физическим моделям: они часто возвращаются в науку снова на новом повороте спирали ее исторического развития.
Итак, мы пробежались по пунктиру экспериментов Томсона, приведших к открытию электрона. Достаточно ли этого, чтобы судить о его открытии? Мне кажется, это достаточно для того, чтобы заинтересоваться историей науки.
Автор
Тринити-колледж — крупнейший из семнадцати колледжей, входящих в независимую корпорацию, образующую Кембриджский университет. Знаменитая Кавендишевская лаборатория принадлежала именно этому колледжу.
