Н.Н.БАРАБАНОВ,
ОНМЦ ЦАО, г. Москва

Дж.Дж.Томсон и его вклад в развитие физики
XX века

К 150-летию со дня рождения

Джозеф Джон Томсон (1856–1940)

Сто пятьдесят лет тому назад в Англии, в семье манчестерского букиниста, родился мальчик, который стал одним из виднейших учёных-физиков конца XIX – начала XX вв. Произошло это 18 декабря 1856 г., и ребёнком этим был Джозеф Джон Томсон. Вклад его в развитие физики впечатляет: экспериментальное открытие в 1897 г. электрона, отмеченное Нобелевской премией по физике (1906 г.); одна из первых моделей атома, в состав которой были включены электроны (1903 г.); первые опытные доказательства существования изотопов (1912 г.), создание крупной научной школы физиков, самым ярким представителем которой является Эрнест Резерфорд, – таков далеко не полный перечень того, что сделал в науке за свою долгую жизнь этот человек. Вот почему в год его юбилея представляется важным не только вспомнить о его научном наследии, но и попытаться оценить значение этого наследия для современности. И есть ещё одна причина. В сознании многих людей – как физиков-профессионалов, так и просто тех, кто интересуется историей науки, – имя этого учёного, которого современники кратко называли «Джи-Джи», с одной стороны, зачастую затмевается именами многих других выдающихся физиков минувшего столетия, а с другой стороны, ему порой ошибочно приписывают научные заслуги его старшего современника – Уильяма Томсона (1824–1907), получившего в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги титул лорда Кельвина (отметим, что последний не только предложил абсолютную шкалу температур, но и установил в 1853 г. изучаемую ныне в школе формулу Томсона для периода колебаний в колебательном контуре). Это обстоятельство также является причиной, по которой о Дж.Дж.Томсоне следует поговорить особо.

В юности Томсон хотел стать инженером и даже поступил в один из манчестерских колледжей соответствующего профиля. Но вскоре из-за смерти отца он был вынужден по причине недостатка средств прервать обучение инженерному делу. «Однако, изучив математику, физику и химию, ему в 1876 г. удалось получить стипендию в Тринити*-колледже, и именно с Кембриджским университетом связана вся дальнейшая академическая жизнь Томсона» [1, c. 513]. (*Слово «Trinity» в переводе с англ. означает «Троица», т.е. Тринити-колледж – это «Колледж св. Троицы».)

Университет Томсон окончил в 1880 г., и к этому времени (началу 90-х гг. XIX в.) относятся его первые научные работы. Они посвящены развитию электродинамики Максвелла. Так, решая задачу о движении заряженного шара, Томсон пришёл к выводу об увеличении кажущейся массы заряда за счёт энергии электростатического поля, и этот вывод получил своё дальнейшее развитие в начале ХХ в. в специальной теории относительности, в частности, в работах А.Пуанкаре. В 1884 г., в возрасте 28 лет, Томсон стал директором Кавендишевской лаборатории, сменив на этом посту Дж.У.Рэлея, и директорство продолжалось до 1918 г. А спустя год, в 1885 г., Томсон защитил диссертацию под названием «О некоторых приложениях принципов динамики к физическим явлениям», которую впоследствии Г.Герц называл «замечательным трактатом»: «Автор развивает здесь следствия динамики, которые наряду с ньютоновскими законами движения имеют в своей основе новые, не выраженные чётко предпосылки. Я мог бы примкнуть к этому трактату; фактически же моё собственное исследование уже значительно продвинулось, прежде чем я познакомился с этим трактатом» [1, c. 207], – так писал о диссертации Томсона Герц в последний год своей жизни в предисловии к книге «Принципы механики, изложенные в новой связи» (1894).

Открытие электрона

1. Предыстория. В своей статье «Научная деятельность Вениамина Франклина» (1956) академик П.Л.Капица цитирует фрагмент одного из его писем, датированного 1749 г.: «Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, т.к. они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой лёгкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления». Комментируя эти слова, П.Л.Капица пишет: «В наши дни мы называем эти „крайне малые частицы” электронами. Далее Франклин рассматривал любое тело как губку, насыщенную этими частицами электричества. Электризация тел состоит в том, что тело, имеющее избыток электрических частиц, положительно заряжено; если тело имеет недостаток этих частиц, оно заряжено отрицательно» [2].

Таким образом, догадки о существовании частиц, являющихся носителями электрического заряда, высказывались ещё в XVIII в. Первую попытку построения электродинамики, основанной на представлении о зернистом строении «электрического флюида» предпринял в 40-е гг. XIX в. немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891), который считал эти частицы невесомыми и именовал их «электрическими массами», по сути, отождествляя термин «масса» с термином «заряд». В электродинамике Максвелла, разрабатывавшейся им в основном в 60-е гг. XIX в. о подобного рода частицах не упоминается: в ней господствует полевой подход, и электричество трактуется как перемещающаяся в проводниках некая несжимаемая жидкость. Попытку привнести идею дискретности электрических зарядов в электродинамику Максвелла предпринял впервые в 1878 г. Г.Лоренц. Так, в 1892 г. в работе «Электромагнитная теория Максвелла и её приложение к движущимся телам» Лоренц писал: «Достаточно будет допустить, что все весомые тела содержат множество маленьких частиц, заряженных положительно или отрицательно, и что все электрические явления вызываются смещением этих частиц. Согласно этому представлению электрический заряд обусловлен избытком частиц одного определённого знака, электрический ток обусловлен потоком этих частичек, а в весомых изоляторах имеет место „диэлектрическое смещение”, если содержащиеся в них наэлектризованные частицы оказываются удалёнными от своих положений равновесия.

Эти гипотезы не содержат ничего нового в отношении электролитов, и они представляют известную аналогию с идеями относительно металлических проводников, бытовавших в старой теории электричества. От атомов электрической жидкости до заряженных корпускул не так уже далеко» [3, с. 170].

Особо следует отметить исследования, касавшиеся особенностей электрических явлений в разреженных газах. В 70-е гг. немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930) ввёл в физику понятие катодных лучей и предположил, что по своей природе они аналогичны свету с той лишь разницей, что свет испускается телом вокруг себя по всем направлениям, а катодные лучи испускаются лишь перпендикулярно поверхности катода, но оба процесса по природе относятся к волновым. Опыты Гольдштейна в конце 70-х гг. XIX в. в усовершенствованном виде повторил выдающийся английский физик Уильям Крукс (1832–1919). Введя в газоразрядную трубку радиометр, им же сконструированный ещё в 1873 г., Крукс обнаружил его вращение под действием катодных лучей, из чего сделал вывод, что эти лучи переносят энергию и импульс. Поместив в трубку на пути катодных лучей металлический крест, Крукс обнаружил его тень на флуоресцирующем стекле трубки и пришёл к заключению, что катодные лучи распространяются прямолинейно. Он же опытным путём убедился в том, что эти лучи можно отклонять в ту или в другую сторону магнитом. Лучи он именовал неким четвёртым или ультрагазообразным состоянием вещества, либо лучистой материей, имеющей, однако, корпускулярную природу, трактуемую в космическом масштабе: «При изучении этого четвёртого состояния вещества создаётся представление, что мы имеем наконец в своём распоряжении „окончательные” частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной» [4, с. 291].

Корпускулярной концепции природы катодных лучей противостояла уже упоминавшаяся волновая концепция. Крукс полагал, что катодные лучи есть молекулы остаточного газа, содержащегося в газоразрядной трубке; соприкоснувшись с катодом, они получают от него отрицательный заряд и отталкиваются от катода. Но тогда они должны отклоняться электрическим полем. Опыты же, которые проводил Г.Герц, показали, что электрическим полем они не отклоняются. В 1892 г. Герц опытным путём убедился в том, что катодные лучи могут проходить сквозь тонкие алюминиевые пластинки. Но если это так, то непонятно, каким образом наэлектризованные молекулы могут проходить сквозь металл. С другой стороны, магнитное поле на световые волны не действует, а опыты Крукса показывали, что данное поле действует на катодные лучи. Таким образом, в начале 90-х гг. XIX в. возникла проблема, которая нуждалась в разрешении. Что есть катодные лучи – волны или частицы?

2. Ж.Перрен и Дж.Томсон – решение проблемы природы катодных лучей. На рис. 1 показана схема опыта, который осуществил в 1895 г. Жан Батист Перрен (1870–1942). Внутри разрядной трубки перед катодом N на расстоянии 10 см помещался соединённый с электроскопом металлический цилиндр ABCD (закрытый кожухом EFGH) с небольшим отверстием напротив катода. При работе трубки в цилиндр проникал пучок катодных лучей, при этом цилиндр всегда получал отрицательный заряд. Если с помощью магнита отклоняли катодные лучи так, чтобы они не попадали внутрь цилиндра, электроскоп не давал никаких показаний. Уже отсюда можно было заключить, что катодные лучи несут отрицательные электрические заряды, а стало быть речь идёт о потоке частиц.

Однако сторонники волновой концепции выдвигали следующее возражение. Допуская, что катод может излучать заряженные частицы, они отрицали, что именно эти частицы являются катодными лучами. При попадании катодных лучей на стенку трубки последняя начинала светиться, но свечение и выброс катодом частицы, по их мнению, могли быть двумя разными явлениями, подобно тому как разными явлениями являются вылет из ствола орудия артиллерийского снаряда и сопровождающая это процесс вспышка.

Требовалось экспериментально доказать, что выброс катодом заряженных частиц и свечение стенки разрядной трубки взаимосвязаны, что речь идёт не о разных физических явлениях, а об одном. Эти доказательства и были представлены Дж.Дж.Томсоном в его опытах 1897 г., являвшихся вариантами опытов Перрена. Цилиндр с отверстием располагался не перед катодом, а сбоку от него, для чего была изменена геометрия самой трубки, рис. 2. В этом случае изначально наблюдалась флуоресценция стеклянной стенки трубки, но она исчезала, когда катодные лучи отклоняли магнитом и «уводили» в отверстие цилиндра, связанного с электроскопом, который регистрировал отрицательный заряд. Так было доказано, что свечение стенки трубки и зарядку цилиндра вызывают одни и те же частицы. А кроме того, Томсон в своих опытах сумел сделать то, что не удалось сделать Герцу: он сумел добиться отклонения катодных лучей электрическим полем (в опытах Герца всё портила проводимость остаточного газа в трубке, возникавшая под действием катодных лучей).

Итак, катодные лучи есть частицы. Какие? Каковы их свойства, их особенности? На эти вопросы Томсон отвечал, описывая их движение законами механики. Например, в электростатическом поле они должны вести себя так же, как ведут себя падающие тела вблизи поверхности Земли. Если, например, положительно заряженная частица оказывается в пространстве между двумя горизонтальными пластинами, верхняя из которых заряжена положительно, а нижняя отрицательно, то эта частица будет отталкиваться от верхней пластины и притягиваться к нижней, т.е. двигаться с ускорением вниз. Если эта частица влетает в пространство между этими пластинами со скоростью, направленной параллельно плоскостям пластин, то она будет приближаться к нижней пластине по параболической траектории, т.е. двигаться так же, как падает на поверхность Земли камень, брошенный со скоростью, направленной параллельно земной поверхности. Если же в пространстве между пластинами существует ещё и магнитное поле, направленное либо за чертёж, либо из чертежа то, во-первых, на исследуемую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца (магнитная сила), и по её направлению можно судить о знаке заряда, а во-вторых, электрическая и магнитная силы могут компенсировать друг друга, если окажутся направленными в противоположные стороны. Электрическая сила вычисляется как произведение заряда частицы на напряжённость электрического поля; магнитная сила вычисляется как произведение этого заряда на скорость частицы и на индукцию магнитного поля (пусть угол между векторами скорости и индукции составляет 90°). Тогда получаем eE = eB, т.е. E = B. Отсюда сразу видно, что скорость движения заряженной частицы вычисляется, как отношение напряжённости электрического поля E к индукции магнитного поля B. Однако известно, что сила Лоренца сообщает заряженной частице центростремительное ускорение ²/r; тогда и можно найти значение удельного заряда частицы, т.е. отношение заряда к массе частицы:

Из этого результата видно следующее. Удельный заряд исследуемой частицы зависит от индукции магнитного поля и от напряжённости электрического поля (т.е. от разности потенциалов между пластинами). Удельный заряд частицы не зависит от химических свойств остаточного газа в трубке, от геометрической формы трубки, от материала, из которого изготовлены электроды, от скорости катодных лучей (в опытах Томсона 1897 г. эта скорость составляла 0,1с, где с – скорость света в вакууме) и ни от каких иных физических параметров. Катодные лучи не являются ионами остаточного газа, вылетающими с катода, как полагал Крукс, но всё же это частицы. И если их удельный заряд – константа, то речь идёт об одинаковых частицах. Выразив массу этих частиц в граммах, а заряд в СГСМ, как это было принято в те времена, Томсон получил удельный заряд частиц равным 1,7 • 10⁷ ед. СГСМ/г. О высокой точности его эксперимента говорит то, что современное значение удельного заряда электрона равно (1,76 ± 0,002)10⁷ ед. СГСМ/г.

Исходя из полученного значения удельного заряда можно было попытаться оценить массу частиц. Ко времени проведения опытов уже было известно значение удельного заряда иона водорода (10⁴ ед. СГСМ/г ). Термин «электрон» к тому времени также существовал, его ввёл в обиход в 1891 г. ирландский физик и математик Джордж Стоней (1826–1911) для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе, а после исследований Томсона этот термин был перенесён на открытые им частицы. И если предположить, что заряд и масса электрона так или иначе связаны с соответствующими значениями для иона водорода, то были возможны два варианта:

а) масса электрона равна массе иона водорода, – тогда заряд электрона должен быть больше, чем заряд иона водорода, в 10³ раз. Однако исследования немецкого физика Филиппа Ленарда показали нереальность подобного предположения. Им было установлено, что средний свободный пробег частиц, образующих катодные лучи, составляет в воздухе 0,5 см, в то время как для иона водорода он меньше, чем 10^–5 см. Значит, масса вновь открытых частиц должна быть малой;

б) заряд частицы равен заряду иона водорода, но в таком случае масса данной частицы должна быть меньше массы иона водорода в 10³ раз. На этом варианте остановился Томсон.

Всё же было бы лучше каким-то образом напрямую измерить либо заряд электрона, либо его массу. Решению проблемы помогло следующее обстоятельство. В том же 1897 г., когда Томсон ставил свои опыты по изучению катодных лучей, его ученик Чарльз Вильсон установил, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе капельки пара, и начинается образование капельки воды, которая растёт до тех пор, пока не станет видимой. (В дальнейшем, в 1911 г., сам Вильсон использовал это открытие, создав свой знаменитый прибор – камеру Вильсона). Томсон воспользовался открытием своего ученика так. Допустим, что в ионизированном газе есть некоторое количество ионов, имеющих одинаковый заряд, и эти ионы движутся с известной скоростью . Быстрое расширение газа приводит к его перенасыщению, и каждый ион становится центром конденсации. Сила тока равна произведению числа ионов на заряд каждого иона и на его скорость . Сила тока может быть измерена, скорость движения ионов тоже, и если как-то определить число частиц, то можно найти и заряд одной частицы. Для этого, во-первых, измерялась масса сконденсировавшегося водяного пара, а во-вторых, масса одиночной капельки. Последняя находилась следующим образом. Рассматривалось падение капелек в воздухе. Скорость этого падения под действием силы тяжести равна, по формуле Стокса,

– коэффициент вязкости среды, в которой падает капля, т.е. воздуха. Зная эту скорость, можно найти радиус капельки r и её объём, полагая капельку сферической. Умножив этот объём на плотность воды, находим массу одной капельки. Разделив общую массу сконденсированной жидкости на массу одной капельки, найдём их число, которое равно числу ионов газа, через которое находится заряд одного иона. Как среднее большого числа измерений Томсон получил для искомого заряда значение 6,5 • 10^–10 ед. СГСМ, что вполне удовлетворительно согласовывалось с уже известным в то время зарядом иона водорода.

Метод, о котором говорилось выше, был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. Над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, которая своим притяжением уравновешивала действующую на каплю силу тяжести. Из этого условия можно было найти заряд ядра конденсации. Уместен вопрос: является ли в действительности заряд капли зарядом электрона? Разве это не заряд ионизованных молекул, который отнюдь не обязан быть априори равен заряду электрона? Томсон показал, что заряд ионизованной молекулы действительно равен заряду электрона, появляется независимо от способа ионизации вещества и всегда оказывается равным заряду одновалентного иона при электролизе. Подставив же значение этого заряда в выражение для удельного заряда электрона, можно найти массу последнего. Эта масса оказывается меньше массы иона водорода примерно в 1800 раз. В настоящее время приняты следующие значения фундаментальных постоянных: заряд электрона равен 1,601 • 10^–19 Кл; масса электрона 9,08 • 10^–28 г, что меньше массы атома водорода примерно в 1840 раз.

В связи с исследованиями Томсоном свойств и природы катодных лучей хотелось бы также упомянуть о его вкладе в исследование природы фотоэффекта. В механизме этого явления в то время ясности не было – ни в работах А.Г.Столетова (умершего в мае 1896 г., т.е. до открытия электрона), ни в работах европейских физиков – итальянца А.Риги, немца В.Гальвакса, – а тем более в исследованиях Г.Герца, который умер ещё в 1894 г. Томсон в 1899 г., исследуя фотоэффект по экспериментальной методике, схожей с методикой исследования свойств катодных лучей, установил следующее. Если полагать, что электрический ток, возникающий при фотоэффекте, есть поток отрицательно заряженных частиц, то можно теоретически рассчитать движение частицы, образующей этот ток, одновременно действуя на неё электрическим и магнитным полями. Эксперименты Томсона подтвердили: ток между двумя противоположно заряженными пластинами при освещении катода ультрафиолетовыми лучами есть поток отрицательно заряженных частиц. Измерения заряда этих частиц, проведённые по той же методике, по которой ранее Томсон измерял заряд ионов, дали среднее значение заряда, по порядку величины близкое к значению заряда частиц, образующих катодные лучи. Отсюда Томсон заключил, что в обоих случаях следует говорить о частицах одной и той же природы, т.е. об электронах.

Атом Томсона. Проблема «увязки» открытых электронов со строением вещества была поставлена Томсоном уже в его работе по определению удельного заряда электронов. Первая модель атома, предложенная Томсоном, базировалась на опытах А.Майера (США) с плавающими магнитами, которые проводились ещё в конце 70-х гг. XIX в. Эти опыты заключались в следующем. В сосуде с водой плавали пробки, в которые были вставлены слегка выглядывавшие из них намагниченные иглы. Полярность видневшихся концов игл была на всех пробках одной и той же. Над этими пробками на высоте около 60 см располагался противоположным полюсом цилиндрический магнит, и иглы притягивались к магниту, одновременно отталкиваясь друг от друга. в итоге эти пробки самопроизвольно образовывали различные равновесные геометрические конфигурации. Если пробок было 3 или 4, то они располагались в вершинах правильного многоугольника. Если их было 6, то 5 пробок плавали в вершинах многоугольника, а шестая оказывалась в центре. Если же их было, к примеру, 29, то одна пробка опять-таки находилась в центре фигуры, а остальные располагались вокруг неё кольцами: в ближнем к центру кольце плавали 6, в следующих кольцах по мере удаления от центра соответственно 10 и 12. Эту механическую конструкцию Томсон перенёс на строение атома, видя в ней возможность объяснения закономерностей, заложенных в Периодической системе Д.И.Менделеева (имеется в виду послойное распределение электронов в атоме). Однако в данном случае оставался открытым вопрос о конкретном числе электронов в атоме. И если предположить, что электронов, например, несколько сотен (особенно с учётом того, что масса электрона ничтожна по сравнению с массой иона водорода), то изучение поведения электронов в такой конструкции практически невозможно. Поэтому уже в 1899 г. Томсон видоизменил свою модель, предположив, что нейтральный атом содержит большое число электронов, отрицательный заряд которых компенсируется «чем-то, что делает пространство, в котором рассеяны электроны, способным действовать так, как если бы оно имело положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов» [4, с. 373].

Спустя несколько лет в журнале «Philosophical Magazine» (№ 2, 1902 г.) появилась работа другого Томсона – Уильяма, известного как лорд Кельвин, – в которой рассматривалось взаимодействие электрона с атомом. Кельвин утверждал, что внешний электрон притягивается к атому с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния от центра электрона до центра атома; электрон же, входящий в состав атома, притягивается к последнему с силой, прямо пропорциональной расстоянию от центра электрона до центра атома. Отсюда видно, в частности, что Кельвин рассматривает электроны не только как самостоятельные частицы, но и как составную часть атома. Этот вывод «равносилен допущению о равномерном распределении положительного электричества в пространстве, занимаемом атомом обычной материи. Из этого следовало, что существует два рода электричества: отрицательное, зерновидное, и положительное, в виде непрерывного облака, как обычно представляли себе „флюиды” и, в частности, эфир» [4, с. 374]. В целом можно сказать, что, по Кельвину, в атоме наличествуют равномерное сферическое распределение положительного электрического заряда и определённое количество электронов. Если речь идёт об одноэлектронном атоме, то электрон должен находиться в центре атома, будучи окружённым облаком положительного заряда. Если же в атоме находятся два или больше электронов, то встаёт вопрос об устойчивости такого атома. Кельвин высказал допущение, что, по-видимому, электроны вращаются вокруг центра атома, будучи расположенными на сферических поверхностях, концентричных границе атома, и эти поверхности также находятся внутри атома. Но в этом случае возникают проблемы: при движении заряженной частицы должно возникнуть магнитное поле, а при движении с ускорением (а вращающийся электрон неизбежно имеет центростремительное ускорение) должно иметь место электромагнитное излучение. Исследованием этих вопросов и занимался Томсон, оставаясь в течение примерно пятнадцати лет сторонником идей Кельвина.

Уже в 1903 г. Томсон установил, что вращающиеся электроны должны порождать эллиптически поляризованные световые волны. Что же касается магнитного поля вращающихся зарядов, то, как показывает теория, при вращении электронов под действием силы, пропорциональной расстоянию от заряда до центра вращения, объяснить магнитные свойства вещества можно лишь при условии рассеяния энергии. На вопрос о том, существует ли реально такое рассеяние, Томсон внятного ответа не дал (по-видимому, понимая, что наличие такого рассеяния породит проблему устойчивости конструкции атома).

В 1904 г. Томсон рассмотрел проблему механической устойчивости атомной структуры. Несмотря на то, что ныне такой подход воспринимается как анахронизм (поведение частиц, образующих атом, следует рассматривать с позиций не классической, а квантовой механики, о которой в те времена не было известно решительно ничего), на результатах, полученных Томсоном, всё же имеет смысл остановиться.

Во-первых, Томсон установил, что электроны в атоме должны быстро вращаться и скорость этого вращения не может быть меньше некоторой предельной. Во-вторых, если число электронов в атоме больше восьми, то электроны должны располагаться несколькими кольцами, и число электронов в каждом кольце должно расти с ростом радиуса кольца. В-третьих, для радиоактивных атомов скорость электронов вследствие радиоактивного излучения должна постепенно убывать, и на некотором пределе убывания должны происходить «взрывы», приводящие к образованию новой атомной структуры.

Ныне общепризнана появившаяся в 1910 г. планетарная модель Резерфорда, впоследствии усовершенствованная с квантовых позиций Н.Бором. Тем не менее модель Томсона ценна в плане постановки: 1) проблемы связи числа электронов и их распределения с массой атома; 2) проблемы природы и распределения в атоме положительного заряда, компенсирующего общий отрицательный электронный заряд; 3) проблемы распределения массы атома. Эти проблемы решались в процессе последующего развития физики ХХ в., и их решение в итоге привело к современным представлениям о строении атома.

Экспериментальное доказательство существования изотопов. Сама мысль о том, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь разные атомные массы, возникла задолго до того, как Томсон начал заниматься «изотопной проблемой». Эту мысль в XIX в. высказывал основоположник органической химии А.М.Бутлеров (1882) и несколько позже У.Крукс (1886). Первые радиоактивные изотопы получил в 1906 г. американский химик и одновременно физик Б.Болтвуд (1870–1927) – два изотопа тория с разными периодами полураспада. Сам термин «изотоп» несколько позже ввёл Ф.Содди (1877–1956) после того, как им были сформулированы правила смещения для радиоактивного распада. Что же касается Томсона, то он в 1912 г. экспериментально изучал свойства и особенности так называемых каналовых лучей, и о том, что это такое, следует сказать несколько слов.

Речь идёт о потоке положительных ионов, движущихся в разреженном газе под действием электрического поля. При соударении электронов с газовыми молекулами у катода в области тлеющего разряда и катодного падения потенциала молекулы расщепляются на электроны и положительные ионы. Эти ионы, разгоняясь электрическим полем, приходят к катоду с большой скоростью. Если в катоде имеются отверстия по направлению движения ионов, либо если сам катод имеет форму сетки, то часть ионов, пройдя по этим каналам, окажется в закатодном пространстве. Изучением поведения таких ионов начал заниматься ещё в 80-е гг. XIX в. ранее упоминавшийся Э.Гольдштейн. Томсон же в 1912 г. изучал воздействие на каналовые лучи (конкретно для ионов неона) одновременно электрического и магнитного полей по той методике, о которой уже говорилось (имеется в виду томсоновский «метод парабол»). Пучок ионов неона в его опытах разделялся на два параболических потока: яркий, соответствовавший атомной массе 20 и более слабый, соответствовавший атомной массе 22. Из этого Томсон сделал вывод о том, что содержащийся в атмосфере Земли неон является смесью двух разных газов. Ф.Содди оценил результаты исследований Томсона следующим образом: «Это открытие представляет собой самое неожиданное приложение того, что было найдено для одного конца Периодической системы, к элементу другого конца системы; оно подтверждает предположение о том, что структура материи вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе» [4, с. 381]. Результат имел огромное значение не только для атомной физики, но и для последующего развития физики экспериментальной, ибо указывал способы измерения масс различных изотопов.

В 1919 г. ученик и ассистент Томсона Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) построил первый масс-спектрограф, с помощью которого опытным путём доказал наличие изотопов у хлора и ртути. В масс-спектрографе применяется именно томсоновский метод отклонения заряженных частиц под действием двух полей, электрического и магнитного, однако в приборе Астона применялось фотографирование разделённых потоков ионов с разными атомными массами, а кроме того, использовалось отклонение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях – в одной и той же плоскости, но в противоположных направлениях. Физика же работы масс-спектрографа в главном состоит в следующем. «Ионы исследуемого вещества, проходя вначале электрическое, а затем магнитное поле, попадают на фотопластинку и оставляют на ней след. Отклонение ионов зависит от отношения e/m, одинакового для всех ионов (или, лучше сказать, от ne/m, потому что ион может нести более одного элементарного заряда). Поэтому все ионы одинаковой массы концентрируются в одной и той же точке фотопластинки, а ионы другой массы – в других точках, так что по точке попадания иона на пластинку можно определить его массу» [4, с. 383].

В заключение – несколько слов о созданной Томсоном научной школе. Его учениками являются такие крупнейшие физики ХХ в., как П.Ланжевен, Э.Резерфорд, Ф.Астон, Ч.Вильсон. Трое последних в разные годы, как и сам Томсон, были отмечены Нобелевскими премиями по физике. Особо отметим его сына. Отец-Томсон экспериментально доказал сам факт существования электрона, а сын, Джордж Паджет Томсон был удостоен в 1937 г. Нобелевской премии за экспериментальное доказательство волновой природы электронов (1927; в том же году независимо от Томсона-младшего аналогичные исследования провёл К.Дэвиссон совместно со своим сотрудником Л.Джермером. Оба были физиками из США; Дэвиссон был также удостоен Нобелевской премии). Вот как оценивал эти исследования в 1928 г. Эрвин Шрёдингер: «Некоторые исследователи (Дэвиссон и Джермер и молодой Дж.П.Томсон) приступили к выполнению опыта, за который ещё несколько лет назад их бы поместили в психиатрическую больницу для наблюдения за их душевным состоянием. Но они добились полного успеха» [3, с. 249].

После 1912 г., отмеченного экспериментальным доказательством существования изотопов, Томсон прожил ещё двадцать восемь лет. В 1918 г. он покинул пост директора Кавендишевской лаборатории (его место занял Резерфорд) и далее до конца своих дней возглавлял тот самый Тринити-колледж, откуда начинался когда-то его путь в науку. Умер Джозеф Джон Томсон на 84-м году жизни 30 августа 1940 г. и был похоронен в Вест-минстерском аббатстве – там же, где обрели вечный покой Исаак Ньютон, Эрнест Резерфорд, а из деятелей английской литературы – Чарльз Диккенс.

Литература

1. Жизнь науки. Под ред. Капицы С.П. – М.: Наука, 1973.

2. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. – М.: Наука, 1981.

3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. – М.: Наука, 1979.

4. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.