Изюминки материи

Существование мельчайших частиц материи — атомов — предполагали еще древние греки. Но вот идея о том, что атом тоже может состоять из более мелких частиц, появилась намного позже, а доказал ее Дж. Дж. Томсон 120 лет назад, хотя поверили ему далеко не сразу и не все.

30 апреля 1897 года кембриджский профессор Джозеф Джон Томсон на заседании Королевского института сделал доклад о существовании универсальных составляющих материи — частиц в тысячу раз легче атома водорода.

Часть аудитории приняла это сообщение скептически. «Много времени спустя один выдающийся физик рассказал мне, что подумал тогда, будто я всем им нарочно морочу голову. Я не был этим удивлен, ибо сам пришел к такому объяснению своих экспериментов с большой неохотой: лишь убедившись, что от опытных данных никуда не скрыться, я объявил о моей вере в существование тел, меньших, чем атомы», — вспоминал Томсон.

Почему же эта идея, знакомая нынче каждому школьнику, была встречена с таким недоверием?

Волна или частица

Томсон изучал свойства катодных лучей, открытых в 1859 году. Увидеть их было довольно просто: взять герметичную стеклянную трубку с электродами на обоих концах, подключить один из концов к отрицательному полюсу электрической батареи, другой — к положительному, откачать большую часть газа и пустить ток.

Объяснить это явление было сложнее. Многие немецкие физики полагали, что дело в волнах, расходящихся по эфиру. Под эфиром в то время понимали гипотетическую среду, в которой распространяются электромагнитные волны и подозревали, что катодные лучи приходились им родственниками. Французы и англичане, напротив, считали, что по своей природе катодные лучи — это какие-то материальные частицы.

Ситуация усугублялась тем, что эксперименты разных ученых давали результаты как в пользу одной, так и другой теории. Так, опыты Генриха Герца показывали, что катодные лучи свободно проходили через металлическую фольгу, не повреждая ее, и что они не отклонялись под действием электрического поля. Это вроде бы подтверждало их волновую природу.

С другой стороны, еще с открытия катодных лучей было известно, что луч отклоняется, если поднести к трубке магнит.

Кроме того, во Франции Жан Перрен доказал, что катодные лучи имеют отрицательный заряд. А в январе 1897, перед тем самым историческим докладом Томсона, Эмиль Вихерт попытался рассчитать для этих частиц отношение массы к заряду — он хоть и был немцем, но полагал, что катодные лучи состоят из частиц. Его вычисления показывали, что-либо частицы очень легкие, либо они несут очень большой заряд.

Эксперименты Томсона

Томсон последовательно проверил все эти разноречивые данные. Он модифицировал эксперимент Жана Перрена, в котором было показано, что если «поймать» катодный луч, то электрометр покажет отрицательный заряд. Томсон установил, что если луч при этом отклонить магнитом, то электрометр почти ничего не покажет и, следовательно, сам луч и электрический заряд как-то связаны.

Также Томсон сумел, в отличие от Герца, показать действие электрического поля на катодные лучи: для этого было нужно тщательно откачать газ из катодной трубки.

«Я не вижу другого выхода, кроме как заключить, что катодные лучи — это отрицательные заряды, переносимые частицами материи. Следующий вопрос: что такое эти частицы? Атомы или молекулы или еще более мелкие частицы материи?», — писал ученый в статье, опубликованной в журнале Philosophical Magazine.

Он провел серию экспериментов для расчета отношения массы этих частиц к заряду, подтвердив результаты Вихерта. Оставалось выбрать между очень большим зарядом и очень маленькими частицами. Это помогли сделать опыты Филиппа Ленарда, который, исследуя прохождение катодных лучей через различные газы, пришел к выводу, что если они состоят из частиц, эти частицы должны быть очень маленькими.

Кекс с изюмом

На основании своих экспериментов Томсон выдвинул следующие гипотезы: 1) катодные лучи состоят из заряженных частиц, 2) эти частицы составляют атом и 3) только из них он и состоит.

Сам ученый называл эти частицы корпускулами, однако в конце концов за ними закрепилось имя «электрон», изначально придуманное Джорджем Стони для обозначения единицы электрического заряда.

Томсон представлял себе атом, как кекс с изюмом: изюминками были электроны, которые существовали в пространстве с положительным зарядом, но без массы, которую ученый назвал «сферой с однородной положительной электризацией».

Эта модель атома была отвергнута уже учеником Томсона Эрнестом Резерфордом, который доказал существование атомного ядра. Он предположил, что атом похож на Солнечную систему: в центре положительно заряженное ядро, вокруг него — отрицательно заряженные электроны. Потом оказалось, что и ядро состоит из более мелких частиц — протонов и нейтронов, которые тоже в свою делятся на более мелкие частицы, — а электроны могут вести себя и как частицы, и как волны, но это уже другая история.