Механизм Вселенной: как законы науки управляют миром и как мы об этом узнали

В 1897 году Томсон показал, что этот поток состоит из отрицательно заряженных частиц, которые были намного мельче, чем самый маленький атом (атом водорода), позднее их стали называть электронами. Электроны освобождаются из атомов металла, из которого сделан катод. Кстати, в современных вариантах лучевых трубок катод нагревается до таких высоких температур, что электроны становятся свободными, фактически «испаряясь» (это явление называется термоэлектронной эмиссией). Газ внутри трубки служит для прохода этих электронов почти так же, как электропровод в повседневных бытовых приборах, например кофеварках, телевизорах или электроплитках. Проводимость возникает за счет того, что электрон передается от одного атома к другому.

В работе Томсона основной находкой было то, что, независимо от металла, используемого для катода, или газа в трубке, отношение заряда электрона к массе было одинаковым для всех атомов. Это открытие убедило его, что электроны одинаковы для всех атомов. Они одинаковы не только для всех атомов данного типа, или элемента, но и независимо от элемента. Томсон обнаружил первую субатомную частицу. Рассуждая об этом, он сказал:

«Во-первых, немногие верили в существование этих тел, меньших, чем атомы [то есть электронов]. Много позже уважаемый физик, присутствовавший на моей лекции в Королевском институте, даже сказал мне, что думал обо мне, что я “разыгрываю слушателей”. Я не был удивлен, поскольку приходил к этому объяснению моих опытов с большим нежеланием, и только после того, как я убедился, что такого объяснения не избежать, я опубликовал свою веру в существование тел, меньших, чем атомы».

Томсон не остановился на достигнутом, хотя он с полным правом мог. Убежденный в том, что по крайней мере часть внутренней структуры всех атомов состоит из электронов, он принялся за построение модели атома, как и многие другие до него (включая Дальтона). Однако, в отличие от других, Томсон первым включил электроны в свою модель. Как ему было известно, хорошая модель должна, по крайней мере, объяснять электрическую нейтральность атома и массу.

Электрическую нейтральность относительно просто объяснить: электроны заряжены отрицательно, поэтому их должен окружать положительный заряд, который будет компенсировать суммарный отрицательный заряд всех электронов. Двумерный вариант модели Томсона напоминал бы печенье с шоколадной крошкой, где электроны – это шоколадная крошка, а положительный заряд – все остальное. Почти всю массу атома он отнес к электронам (довольно тяжелые шоколадные крошки).

Модель Томсона дебютировала в 1903 году. Несмотря на хорошее начало, она столкнулась с проблемами. Тем не менее она не уходила в течение некоторого времени, пока в 1909 году новые результаты экспериментов не начали ее разрушать.

В 1895 году Эрнест Резерфорд (1871–1937) приехал в Кембридж на стипендию, чтобы работать с Томсоном. Для Резерфорда это было воодушевляющей и благоприятной возможностью стать молодым физиком-экспериментатором. Прошло всего лишь три месяца с его приезда, когда Рентген объявил в прессе о своем открытии X-лучей; затем, три месяца спустя, появилась начальная статья Беккереля по радиоактивности; и через год – сообщение Томсона об открытии электрона. В 1897 году Резерфорд провел собственное исследование радиоактивности, а в 1898 году сообщил о своем открытии двух новых форм радиации: α-частиц и β-частиц.

Все эти открытия были тем более захватывающими, что были достигнуты с помощью крайне примитивных (по современным стандартам) инструментов, бывших в распоряжении Резерфорда. В 1898 году он занял должность профессора физики университета Макгилла в Монреале. Резерфорд реально был суперзвездой: в 1903 году его приняли в члены Королевского общества; в 1905 году – наградили медалью Румфорда; а в 1908 году, когда ему было всего лишь тридцать семь лет, он был удостоен Нобелевской премии по химии «за проведенные им исследования в области распада элементов в химии радиоактивных веществ». Однако его величайший успех был еще впереди.

В 1907 году он стал профессором в Манчестерском университете. Под руководством Резерфорда Ханс Гейгер (1882–1945) и 22-летний студент Эрнест Марсден (1889–1970) в 1909 году изучили рассеяние α-частиц тонкой металлической фольгой. Они заметили, что изредка α-частицы рассеиваются на углы, превышающие 90°. Результат был поразительным, сам Резерфорд сказал: «Это было самым невероятным событием, которое когда-либо случилось в моей жизни. Оно было почти таким же невероятным, как если бы вы выстрелили 15-дюймовым снарядом по куску папиросной бумаги, а он бы вернулся и попал по вам». Он продолжал: «Я не верил, что [α-частицы] будут [рассеиваться], поскольку мы знали, что α-частица очень быстрая и массивная, с большой энергией».