18 декабря исполнилось 155 лет со дня рождения открывателя электрона
В 1871 году Джеймс Клерк Максвелл организовал и возглавил знаменитую сегодня на весь мир Кавендишскую лабораторию в Кембридже. Она стала последним детищем великого ученого. Когда через восемь лет создателя классической электродинамики не стало, руководство лабораторией принял не менее авторитетный физик — Уильям Стретт, известный больше как лорд Рэлей, однако через пять лет он ушел в отставку. Назначение третьим директором 28-летнего Джозефа Томсона, в то время известного лишь в узких кругах, и то не физических, а математических, стало неожиданностью как для научной общественности, так и для него самого.
Он принял приглашение возглавить Кавендишскую лабораторию как огромную честь и все годы работы на посту директора доказывал, что достоин быть преемником великого Максвелла, навсегда оставшегося его кумиром. Однако обнаружение электрона и другие революционные открытия Томсона стали возможны во многом как раз благодаря тому, что он отошел от классических максвелловских вопросов, а точнее, поставил новые.
Если Максвелла волновали главным образом соотношения напряженностей полей, создаваемых «заданными» зарядами и токами (именно эти зависимости отражены в уравнениях, носящих его имя), то Томсон одним из первых попытался постичь саму природу электромагнитного поля.
Объектом его изучения стали катодные лучи, испускаемые отрицательными электродами. В спорах об их природе ломали копья многие именитые физики того времени; представители немецкой школы считали их волнами, близкими к рентгеновскому излучению, англичане же видели в них «корпускулы».
Томсону удалось измерить скорость катодных лучей – она оказалась меньше скорости света в 2 тысячи раз, и всем стало ясно, что речь идет о потоке частиц. Вот только каких? «Крамольные» мысли о том, что атом на самом деле не такой уж неделимый, как следует из названия, звучали и до Томсона: их высказывали, в частности, Уильям Праут и Норман Локьер, считая, что атомы всех элементов сложены из универсальных «кирпичиков» – атомов водорода.
Для проверки этой гипотезы Томсон рассчитал траекторию движения заряженной частицы под действием электрического и магнитного полей и установил, что ее отклонение должно определяться отношением заряда к массе. Изучение поведения катодных лучей ясно показало, что загадочные частицы в их составе – это не заряженные атомы водорода, а нечто гораздо более легкое. И еще более важным открытием стало то, что обнаруженные Томсоном «корпускулы» были одинаковыми во всех катодных лучах – независимо от того, из какого металла был выполнен электрод. А через некоторое время в обиход науки прочно вошел термин «электрон»: его предложил Джордж Стоуни еще за три года до опытов с катодными лучами для обозначения абстрактной элементарной единицы электричества, и физики совершенно справедливо рассудили, что самой подходящей кандидатурой на роль таковой и является томсоновская «корпускула». В 1906 году Джозеф Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике.
Разработанный Томсоном метод изучения частиц по зарядо-массовым характеристикам позже позволил ученому открыть изотопы. В 1912 году химически однородный неон «отметился» на фотопластинке двумя световыми линиями, соответствующими неону-20 и неону-22 — атомам с различными физическими свойствами. Ученик Томсона Фрэнсис Астон довел идею до технического воплощения — так появился метод атомной масс-спектрометрии. Кстати, основную характеристику в нем — отношение массы к заряду — с 1991 года предложено измерять в томсонах.
Доказательство существования в составе всех атомов отрицательно заряженных частиц на фоне электронейтральности самих атомов свидетельствовало о наличии «дополняющих» носителей положительного заряда. По Томсону, положительный заряд «размазан» по всему объему атома, а отрицательный локализован в носящихся в нем электронах. «Пудинг с изюмом» – так образно назвали эту первую модель атома, созданную ученым в 1903 году. При всей кажущейся наивности в ней заложено много идей, опередивших свое время. Так, Томсон полагал, что электроны под действием кулоновских сил скапливаются в центре атома, образуя упорядоченные структуры — в их конфигурации улавливается связь с периодическим законом Менделеева. В силу же внешних возмущений «изюминки» в «пудинге» могут трястись — а отсюда уже рукой подать до спектральных явлений.
Экспериментальное доказательство несостоятельности «пудинговой» модели Эрнестом Резерфордом и замену ее новой – планетарной — можно рассматривать как поражение Томсона-ученого. А можно и по-другому: как победу Томсона-педагога, учитывая, что Резерфорд был его учеником. Кстати, одним из семи, удостоенных Нобелевской премии (этот рекорд остается непревзойденным по сей день). Символично, что именно Резерфорд в 1918 году сменил учителя на посту директора Кавендишской лаборатории.
За становлением в начале XX века «новой физики» Джозеф Томсон наблюдал настороженно. Для него родной навсегда осталась физика Максвелла — именно вычурным отражением математических свойств его уравнений ученый считал развивающуюся теорию относительности. При этом, что интересно, именно Томсону принадлежит первая попытка связать энергию с массой: в 1881 году 25-летним студентом он ввел понятие электромагнитной массы — той части массы, которая обусловлена энергией электростатического поля.
Однако ученый всегда был открыт новому. Например, честно признал ошибочность своего скептического отношение к квантовой теории, когда у электрона экспериментально доказали существование волновых свойств. Впрочем, и это открытие, ознаменовавшее смену парадигмы физической науки, оказалось навсегда связанным с его именем: авторство принадлежит Нобелевскому лауреату 1937 года Джорджу Томсону, сыну ученого.
