Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Рентген совершил свое удивительное открытие, исследуя светящуюся точку, которая возникает в конце вакуумной стеклянной «разрядной трубки», когда достаточно высокое напряжение подается на две металлические пластины внутри нее — отрицательно заряженный катод и положительно заряженный анод (эти термины появились благодаря Фарадею). Проходящие через разреженный воздух, эти катодные лучи оказались весьма загадочными. Если внутрь этой лампы поместить препятствие — химик и медиум Уильям Крукс для этой цели использовал мальтийский крест, — то его тень появится на флюоресцирующем стекле; это означает, что лучи, как пуля, движутся по прямой. Если рядом с трубкой разместить магнит, то пучок сместится вбок. Если внутрь трубки поместить драгоценный камень, то он начнет флюоресцировать. Кроме того, эти лучи представляли собой поток вещества, которое вращало крохотную крыльчатку в лампе. Крукс объявил: «Теперь физикам известны четыре состояния вещества — твердое, жидкое, газообразное и лучистое.»

_{Трубки Крукса: катодные лучи заставляют светиться бриллиант, оставляют тень от мальтийского креста и двигают лопатки крыльчатки, оказавшейся на их пути}

Рентген обнаружил еще большую странность: если пучок ударяет в конец трубки с достаточной силой, то возникает совершенно иное излучение, достаточно мощное для того, чтобы проникать сквозь плоть. Не прошло и года, как Анри Беккерель обнаружил в Париже еще одну форму проникающих лучей, испускаемых кусочками урана, проходящих через непрозрачный экран и оставляющих след на фотопластине. Вскоре стало ясно, что оба типа излучения могут ионизировать газ и наделять его электрическим зарядом. Теперь мы знаем, что это происходит потому, что обнаруженные лучи выбивают электроны из атомов.

Вернувшись из Европы, чтобы приступить к работе в Чикагском университете, где в то время царствовал Майкельсон, Милликен издалека наблюдал за работами некоторых величайших европейских ученых, увлеченных новой физикой. В Кавендишской лаборатории Кембриджа Дж. Дж. Томсон показал, что пучок можно отклонять не только магнитом, но и сильным электрическим полем. Герц неудачно провел эксперимент, в котором пучок проходил между параллельными пластинами внутри вакуумной лампы. Когда на пластины подавалось напряжение от электрического элемента, пучок не смещался. Герц решил, что эти лучи — нематериальные возмущения эфира. (Урок Майкельсона-Морли все еще не был усвоен.)

Томсон подозревал, что Герц недостаточно откачал воздух из лампы и оставшиеся молекулы закорачивают пластины так, словно они оказываются под дождем. При более высоком вакууме он смог подтолкнуть пучок в сторону положительного полюса — серьезное указание на то. что катодные лучи состоят из отрицательно заряженного вещества, частиц электричества, или электронов.

_{Эксперимент Дж. Дж. Томсона. В точке С возникают катодные лучи, которые проходят через положительно заряженный анод (А), затем через отверстие В и между пластинами D и Е и высвечивают точку в конце трубки.}

_{Подача напряжения на пластины заставляет луч отклоняться}

Я не собирался покупать установку Томсона, но красота эксперимента настолько соблазнила меня, что я не устоял: в простой деревянной рамке установлена сферическая вакуумная трубка с заострениями, а большие медные катушки Гельмгольца (названы так в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца) крепятся по бокам. При расстоянии между ними, равном их радиусу (15 см), они создавали равномерное магнитное поле, в котором оказывалась трубка. Прибор был изготовлен в Германии для демонстрации на уроках физики, и посеревшее и потрескавшееся покрытие электрических клемм позволяло предполагать, что сделали его в 60-е годы прошлого века.

Никакого руководства не было, а вместо него оказался толстый лист чертежной бумаги, на котором кто-то цветными карандашами изобразил схему включения прибора: для разогрева металлического катода и выброса электронов, ускоряющихся значительно большим напряжения на аноде, подавалось напряжением 6,3 В. Третий источник тока должен был питать катушки Гельмгольца. Я подсоединил провода к моему источнику питания и выключил свет.

_{Современный вариант установки Томсона}

_{Рисунок Элисон Кент}