18 грудня виповнилося 155 років від дня народження відкривача електрона

1871 року Джеймс Клерк Максвелл організував і очолив відому сьогодні на весь світ Кавендиську лабораторію в Кембриджі. Вона була останнім дітищем великого вченого. Коли через вісім років створювача класичної електродинаміки не стало, керівництво лабораторією прийняв не менш авторитетний фізик — Вільям Стрет, відомий більше як лорд Релей, однак через п’ять років він пішов у відставку. Призначення третім директором 28-літнього Джозефа Томсона, у той час відомого лише у вузьких колах, і то не фізичних, а математичних, було несподіванкою як для наукової спільноті, так і для нього самого.

Він сприйняв запрошення очолити Кавендиську лабораторію як величезну честь і всі роки роботи на посаді директора доводив, що гідний бути спадкоємцем великого Максвелла, який назавжди залишився його кумиром. Однак виявлення електрона та інші революційні відкриття Томсона стали можливі багато в чому саме завдяки тому, що він відійшов від класичних максвеллівських запитань, а точніше, поставив нові.

Якщо Максвелла хвилювали переважно співвідношення напруженостей полів, створюваних «заданими» зарядами і струмами (саме ці залежності відбито в рівняннях, названих його ім’ям), то Томсон одним із перших спробував збагнути саму природу електромагнітного поля.

Об’єктом його вивчення стали катодні промені від негативних електродів. У суперечках про їхню природу ламали списи багато іменитих фізиків того часу; представники німецької школи вважали їх хвилями, близькими до рентгенівського випромінювання, англійці ж бачили в них «корпускули». Томсону вдалося виміряти швидкість катодних променів — вона виявилася меншою за швидкість світла в 2 тисячі разів, і всім стало зрозуміло, що йдеться про потік частинок. От тільки яких? «Крамольні» думки про те, що атом насправді не такий неподільний, як має бути відповідно до назви, виникали й до Томсона: їх висловлювали, зокрема, Вільям Праут і Норман Локьєр, уважаючи, що атоми всіх елементів складені з універсальних «цеглинок» — атомів водню.

Для перевірки цієї гіпотези Томсон розрахував траєкторію руху зарядженої частинки під дією електричних і магнітних полів і встановив, що її відхилення має визначатися відношенням заряду до маси. Вивчення поведінки катодних променів показало, що загадкові частинки в їхньому складі­ — це не заряджені атоми водню, а щось набагато легше. І ще більш важливим відкриттям стало те, що виявлені Томсоном «корпускули» були однаковими в усіх катодних променях — незалежно від того, з якого металу був виконаний електрод. А через якийсь час у науковий ужиток міцно ввійшов термін «електрон»: його запропонував Джордж Стоуні ще за три роки до дослідів із катодними променями для позначення абстракт­ної елементарної одиниці електрики, і фізики цілком справедливо вирішили, що найкращою кандидатурою на роль такої і є томсонівсь­ка «корпускула». 1906 ро­ку Джозеф Томсон був визнаний гідним Нобелівської премії з фізики.

Розроблений Томсоном метод вивчення частинок за зарядо-масовими характеристиками пізніше дозволив ученому відкрити ізотопи. 1912 року хімічно однорідний неон «відзначився» на фотопластинці двома світловими лініями, що відповідають неону-20 і неону-22 — атомам із різними фізичними властивостями. Учень Томсона Френсіс Астон довів ідею до технічного втілення — так з’явився метод атомної мас-спектрометрії. До речі, основну характеристику в ньому — відношення маси до заряду — з 1991 року запропоновано вимірювати в томсонах.

Доказ існування в складі всіх атомів негативно заряджених частинок на тлі електронейтральності самих атомів свідчив про наявність «доповнювальних» носіїв позитивного заряду. Згідно з Томсоном, позитивний заряд «розмазаний» по всьому обсягу атома, а негативний — локалізований у електронах, що рухаються в ньому. «Пудинг із родзинками» — так образно назвали цю першу модель атома, створену вченим 1903 року. За всієї уявної наївності в ній закладено багато ідей, які випередили свій час. Так, Томсон думав, що електрони під дією кулонівських сил збираються в центрі атома, утворюючи впорядковані структури — у їхній конфігурації вловлюється зв’язок із періодичним законом Менделєєва. Через зовнішні збурення «родзинки» в «пудингу» можуть трястися — а звідси вже недалеко до спектральних явищ.

Експериментальний доказ неспроможності «пудингової» моделі Ернестом Резерфордом і заміну її новою — планетарною — можна розглядати як поразку Томсона-ученого. А можна й по-іншому: як перемогу Томсона-педагога, з огляду на те, що Резерфорд був його учнем. До речі, одним із семи, відзначених Нобелівською премією (цей рекорд залишається неперевершеним донині). Символічно, що саме Резерфорд 1918 року заступив учителя на посаді директора Кавендиської лабораторії.

За становленням на початку XX століття «нової фізики» Джозеф Томсон спостерігав насторожено. Для нього рідною назавжди залишилася фізика Максвелла — саме вигадливим відбиттям математичних властивостей його рівнянь учений уважав тео­­рію відносності, що тоді розвивалася. При цьому цікаво, що саме Томсону належить перша спроба пов’язати енергію з масою: 1881 року, 25-літнім студентом, він увів поняття електромагнітної маси — тієї частини маси, що обумовлена енергією електростатичного поля.

Однак учений завжди був відкритий новому — наприклад, чесно визнав помилковість свого скептичного­ ставлення до квантової тео­­рії, коли в електрона експериментально довели існування хвильових властивостей. Утім, і це відкриття, що ознаменувало зміну парадигми фізичної науки, виявилося назавжди пов’язаним з його ім’ям: авторство належить Нобелівському лауреатові 1937 року Джорджеві Томсону, синові вченого.