Несколько слов о самом открытии
Читатель, закрывший последнюю страницу книги, снова возвращается к ее заглавию — «Открытие Джи-Джи»… Как же все-таки было сделано это открытие? Ведь некоторым, вероятно, захочется проникнуть в глубь первоначальных экспериментов, доказавших существование электрона.
Что же знаем мы с тобой, читатель? Во-первых, курс физики за шестой и седьмой классы. Это немаловажно. Кроме того, мы знаем многое о том, что происходит в окружающей нас действительности под влиянием развивающейся электроники, и часто слышим о том, какое наследство оставил нам старик электрон, обнаруженный семьдесят пять лет назад.
Но историку науки прежде всего нужно увидеть первые статьи Томсона, в которых без прикрас описываются его первоначальные эксперименты.
Первая работа Томсона была опубликована в 1897 году в журнале «Philosophical Magazine and Journal of Scieпсе». Читаем: «Эксперименты, описанные в этой статье, были проведены в надежде получить некоторые сведения о природе катодных лучей. Существуют различные суждения об этих лучах: большинство немецких физиков полагает, что они связаны с каким-то процессом в эфире. Другая точка зрения состоит в том, что катодные лучи в действительности представляют собой частицы материи, заряженные отрицательным электричеством. С первого взгляда может показаться, что не представляет особого труда различить столь различные мнения, но опыт показывает, что это не так…»
Вначале Томсон описывает, как он продолжил эксперимент французского ученого Жана Перрена и доказал, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле и при малых напряжениях, которых не удалось достигнуть Перрену. Это подтверждало, что катодные лучи действительно несут отрицательный заряд. Однако, исходя из этого, еще нельзя было сказать, что сами они и есть отрицательно заряженные частицы. Ведь электрические заряды могли бы покачиваться на волнах эфира, как мячи на воде. Надо было еще отклонить катодные лучи в магнитном поле, вот это неопровержимо доказывало бы, что сами катодные лучи — электрически заряженные частицы.
И вот Джи-Джи выдувает с помощью Эверетта причудливую стеклянную колбу с узкой щелью для входа катодных лучей и запаивает в нее анод и катод. На колбу надевают катушку электромагнита. При включении тока на проходящие катодные лучи начинает действовать магнитное поле. Траекторию лучей легко проследить по яркой фосфоресценции того участка стекла, на который они попадают. Кроме того, возникает светящийся ореол и вокруг пучка лучей, проникающих через щель.
Как только включалось магнитное поле, фосфоресцирующий участок стекла сдвигался и путешествовал вместе с отклоняющимся пучком по всей колбе. Кроме того, узкие, сфокусированные щелью пучки превращались в широкий веер, распадающийся на спектр темных и светлых полос. Все эти явления оказались крайне интересными и свидетельствовали не только о том, что катодные лучи — электрически заряженные частицы, но что в разреженном газе возникают любопытные эффекты, причастные к новой области физики: электрическому разряду в газах.
Но Томсон недаром был «нападающим» в науке, как и в футболе. Не останавливаясь на побочных эффектах, он пробивается вперед, чтобы забить гол в ворота истории науки.
Прежде всего он разрабатывает несколько методов экспериментального определения параметров неизвестных частиц. Для Томсона измерить — значит доказать.
Какие же параметры «еще не существовавших» частиц были выбраны Томсоном?
Здесь-то и намечается тот переломный пункт, когда будничное научное исследование превратилось в открытие. Томсон начинает представлять себе эти мельчайшие частицы, как реально существующие, и обращается с катодными лучами, как будто он уже знает, что они бесспорно состоят из электрически заряженных крупинок, обладающих и кинетической энергией mv2/2 и электрическим зарядом е. При этом напрашивается сам собой интересный критерий поведения этих мельчайших крупинок: отношение их массы m к их заряду е. В самом деле: чем больше масса частиц m, тем меньше их отклонение в электрическом и магнитном полях, но зато чем больше их заряд е, тем, естественно, отклонение катодных лучей больше. Следовательно, измеряя отклонения лучей, можно оценить отношение их массы к заряду, а это кое-что может нам сказать и о природе частиц, из которых, по-видимому, состоят катодные лучи.
Один из вариантов метода определения m/e будущих электронов, примененный Томсоном впервые, состоял в следующем.
Поток катодных лучей падал на термоэлектрический спай (термопару), отдавая ему кинетическую энергию частиц, равную N mv2/2 где N — число частиц, проходящих через поперечное сечение пучка за данное время. Термопара, естественно, нагревалась под действием поглощаемой кинетической энергии катодных лучей, и это тепло нетрудно было измерить по повышению температуры спая.
Конечно, согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия электрически заряженных частиц равна теплу, приобретаемому термопарой.
С другой стороны, можно было с помощью геометрических построений легко измерить радиус кривизны траектории катодных лучей при их отклонении в магнитном поле. Томсон обозначил этот радиус кривизны через р. Тогда, если выразить напряженность магнитного поля через Н, можно написать уравнение: mv/e = Hp.
Анализ этого уравнения мы представляем юным историкам науки.
Затем Томсон записал следующие формулы:
1) W = mv2/2 — кинетическая энергия частиц;
2) Q = N-e — количество электричества, переносимое этими частицами;
3) V = 2W/QH
4) m/e = H2p2Q/2W.
Таким образом, измерив напряженность магнитного поля Н, радиус кривизны р, количество электричества Q и кинетическую энергию W по нагреву термопары, Томсон сумел впервые измерить неизвестных частиц. Это и послужило первой ступенькой открытия элементарной частицы материи, ибо это отношение, равное 0,4 X 10-7, оказалось так мало, что заставило предположить: обнаруженные частицы не сравнимы ни с одним из известных атомов или молекул. Новые частицы в тысячу раз легче, чем самый легкий атом — водорода!
Здесь мы предлагаем читателю заглянуть в современные физические справочники и убедиться в том, сколь грубы были первые эксперименты Томсона.
И все-таки Томсон не был бы одним из лучших экспериментаторов своего времени, если бы не продолжил свои опыты по измерению m/e в различных газах.
В самом деле: определив m/e в воздухе, мы еще не доказали, что получим то же самое в аргоне, неоне, водороде. А может быть, полученная нами новая частица не универсальна, а наблюдается только в разреженном воздухе?
И Томсон измерил m/e не только в различных газах, через которые проникали катодные лучи, но изменил самый метод определения этого отношения. Им был разработан знаменитый способ, вошедший впоследствии в атомную физику для разделения электрически заряженных частиц с разными массами и зарядами. Этот метод состоял в том, что на катодные лучи одновременно действовали и электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно друг другу. Под действием этих взаимно перпендикулярных полей частицы начинали описывать циклоиду — кривую, диаметр которой зависит от напряженности электрического и магнитного полей, а также от отношения m/e. Катодные лучи заключали в коробку с передвижными стенками, служившими обкладками конденсатора. Отодвигая обкладки, изменяли напряженность электрического поля, а таким образом и диаметр циклоиды, описываемой частицами. Можно было, конечно, менять и напряженность магнитного поля. Диаметр циклоиды вычислялся по формуле: 2Xm/eH, где X — напряженность электрического поля, Н — напряженность магнитного поля, m и е — параметры исследуемых неизвестных частиц.
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
notes
