Курс истории физики

Перейдем теперь к основному показателю творческой деятельности лаборатории—важнейшим научным исследованиям и в особенности к исследованиям профессора Д. Д. Томсона. При Рэлее Томсон начал свой научный путь в Кавендишской лаборатории. Первая его статья, опубликованная в 1880 г., была посвящена электромагнитной теории света. В следующем, 1881 г. появились две работы, из которых одна положила начало электромагнитной теории массы. Статья называлась «Об электрических и магнитных эффектах, производимых движением наэлектризованных тел». В этой статье выражена та мысль, что «эфир вне заряженного тела является носителем всей массы, импульса и энергии». С увеличением скорости изменяется характер поля, в силу чего вся эта «полевая» масса возрастает, оставаясь все время пропорциональной энергии. Научные успехи Томсона были высоко оценены Рэлеем, и, уходя в 1884 г. с поста директора лаборатории Кавендиша, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона.

Открытие рентгеновских лучей обострило интерес Томсона к явлениям прохождения электричества через газы. Результатом этой коллективной работы, в которой, кроме Томсона, принимали участие молодые его ученики и сотрудники, явилась классическая монография «Прохождение электричества через газы», первое издание которой вышло в 1903 г. В ходе этих исследований был открыт электрон.

«Исследования, которые привели к открытию электрона, — писал позже Томсон в своих воспоминаниях, — начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил». Действие магнитного поля на катодные лучи было обнаружено многими исследователями, однако в отношении действия электрического поля существовали разногласия. Одни авторы утверждали, что они наблюдали действие электрического поля на катодные лучи, другие отрицали это. Томсон показал, что это расхождение обусловлено низкой техникой откачки газа. Остатки ионизированного газа нейтрализуют влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения катодного пучка электрическим полем. Трубка Томсона с впаянными в нее пластинками конденсатора стала прообразом современной электронно-лучевой трубки.

Подвергая катодный пучок действию электрического и магнитного полей, Томсон получил возможность определить отношение е/m для катодных лучей. Это отношение оказалось независимым от природы газа в трубке и в тысячу раз большим, чем отношение е/m для водородного иона, полученное из законов электролиза. Если принять, что заряд катодной частицы равен заряду водорода, то масса катодной частицы оказывается в тысячу раз меньше массы атома водорода, самого легкого атома. Этот результат был ошеломляющим. Томсон вспоминает, с каким недоверием было встречено его сообщение в Королевском институте.

Томсон продолжал свои опыты. Он исследовал отношение е/m для частиц, вырываемых ультрафиолетовым светом, для частиц, испускаемых накаленным катодом,— всюду порядок этого отношения оказался таким же, как для катодных лучей. Эти мельчайшие частицы вещества Томсон назвал корпускулами, однако это название не удержалось. Частицы стали называться электронами. (Термин «электрон» ввел в 1891 г. английский ученый Дж. Стоней.)

Рис. 57. Метод парабол Томсона

Стало ясно, что электроны являются составными частями атомов всех веществ. Сам Томсон построил электромагнитную модель атома, предположив, что отрицательно заряженные корпускулы (электроны) располагаются определенным образом внутри положительно заряженной сферы. (Следует отметить, что такую же модель предлагал и Вильям Томсон.) Этот «атом Томсонов» был распространенной моделью атома до открытия ядра Резерфордом и модели атома Бора.

Метод Томсона имел фундаментальное значение. Он лежит в основе устройства электронно-лучевых трубок, первые модели которых были построены в 1897 г. самим Томсоном и независимо от него ф. Брауном.

Развитие метода Томсона составляет основу электронной оптики, электронных ламп, современных ускорителей заряженных частиц. Томсон научил физиков управлять электронами, и в этом его основная заслуга. В 1906 г. Д.Д.Томсону за его исследование прохождения электричества через газы была присуждена Нобелевская премия по физике.

Томсон разработал и методы изучения положительно заряженных частиц. Вышедшая в 1913 г. его монография «Лучи положительного электричества» положила начало масс-спектроскопии. Развивая методику Томсона, его ученик Астон построил первый масс-спектрометр и разработал метод анализа и разделения изотопов. В лаборатории Томсона начались первые измерения элементарного заряда из наблюдения движения заряженного облака в электрическом поле. Этот метод был в дальнейшем усовершенствован Милликеном (1868—1953) и привел к измерениям заряда электрона.

Рис. 58. Фотографии, полученные Томсоном при применении метода парабол