Александр Фомин - 100 знаменитых ученых

В лаборатории было сделано немало великих открытий, позже она получила название Кавендишская лаборатория (по имени Генри Кавендиша) и стала мировым центром экспериментальной физики.

В 1884 году знаменитый Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей (тоже будущий нобелевский лауреат), ушел в отставку, решив продолжить научные исследования в собственной лаборатории.

Избрание на освободившийся пост профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории Джозефа Джона Томсона стало неожиданностью для многих профессоров и научных деятелей. В то время ему было всего двадцать семь лет, по специальности он был математиком, в экспериментальной физике не совершил никаких заметных открытий. Молодой ученый всего лишь разрабатывал математические модели, которые, по его мнению, должны были выявить структуру атома, и продолжал исследования Максвелла в области электромагнетизма. Через некоторое время стало ясно, что выбор на эту должность Томсона оказался очень удачным, и Джозеф Джон стал одним из великих директоров Кавендишской лаборатории.

Наиболее популярными в то время исследованиями физиков были проблемы электричества и магнетизма. В своих первых лабораторных работах Джозеф Джон решил исследовать электрическую проводимость газов и физическую природу источников, порождающих напряженности полей. Он приступил к исследованию токов в разреженных газах.

Еще в 1853 году талантливый французский физик А. Массон провел эксперимент, пропуская электрические разряды через стеклянную трубку, из которой был выкачан воздух. Впоследствии английский физик Уильям Крукс с помощью такого же устройства провел множество различных опытов. В одном из них Крукс поместил в противоположные концы трубки электроды, а между ними – вертушку с лопастями. Под действием лучей, которые распространялись отрицательно заряженным электродом – катодом, – вертушка вращалась, что давало возможность предположить, что катодные лучи являются на самом деле потоком микроскопических частиц с маленькой массой.

Крукс сделал и другие любопытные наблюдения. Если на внутреннюю поверхность трубки наносили вещества, а газ был достаточно разреженным, то под действием катодных лучей стеклянные стенки трубки возле анода флуоресцировали зеленым светом.

Мнения ученых о природе катодных лучей разошлись. Английские физики считали, что катодные лучи являют собой поток заряженных частиц, но многие континентальные физики, в частности, немецкие, исходя из опытов Генриха Герца, предполагали, что эти лучи являются волнами (колебаниями) в неизвестной невесомой среде.

Интерес к исследованиям катодных лучей подогрело открытие Вильгельмом Рентгеном в 1895 году рентгеновских лучей. Томсон стал одним из самых активных исследователей в этой области физики.

Работая вместе со своим гениальным ассистентом Эрнестом Резерфордом, он обнаружил, что под воздействием рентгеновских лучей увеличивалась электропроводность газов. Ученые опубликовали знаменитую работу, в которой сделали вывод, что возникающая проводимость очень напоминает ионную проводимость в растворе при электролизе.

В 1897 году Томсон сконструировал трубку, похожую на трубку Крукса. С ее помощью он измерял отклонения катодных лучей в электрическом поле. В ней ученый использовал две пластинки, между которыми проходили катодные лучи. Напряжение, подаваемое на пластинки, можно было увеличивать или уменьшать, и чем выше было при этом напряжение, тем сильнее должно было быть отклонение катодных лучей от прямолинейной траектории.

В результате опыта Томсон выявил отклонение катодных лучей под действием электрического поля. Впоследствии знаменитый ученый сделал вывод о том, что направление отклонения указывает на то, что составляющие частицы катодных лучей несут отрицательный электрический заряд.

Предположение Томсона подтвердил замечательный французский физик-экспериментатор Жан Перрен. Он определил знак электрического заряда составляющих частиц катодных лучей, направляя их на металлический цилиндр. В результате опыта цилиндр оказался заряженным отрицательно.

Также Томсон измерил скорость катодных лучей, которая оказалась меньше скорости света в 2000 раз, что давало еще одно доказательство в пользу корпускулярной природы лучей. Впоследствии с помощью подобного эксперимента знаменитому ученому удалось установить массу и заряд частиц, составлявших катодные лучи.

Джозеф Джон провел теоретические расчеты, которые должны были описать движение заряженной частицы под воздействием электрического и магнитного полей. По мнению Томсона, отклонение частицы от прямолинейной траектории зависело от отношения ее заряда к массе.

Вслед за этим ученый поставил эксперимент, в котором отклонял катодные лучи посредством электрического поля. Затем с помощью магнитного поля эти лучи отклоняли в противоположную сторону, так чтобы они вернулись в первоначальную позицию. Таким образом можно было определить скорость и отношение заряда частицы к ее массе.

Эксперименты блестяще подтвердили теоретические умозаключения Томсона. В результате опыта было установлено, что отношение заряда частицы к ее массе почти в 1000 раз меньше, чем у ионов водорода (на сегодняшний день известно, что истинное отношение приблизительно 1837:1). Томсон предположил, что заряд частиц равен по модулю заряду иона водорода, который к тому времени был точно вычислен с помощью экспериментов в области электролиза. Поскольку атом водорода имел нулевой заряд, то возникало предположение, что заряд открытых частиц равен по значению и противоположен по знаку заряду иона водорода.

Вскоре описанные Томсоном отрицательно заряженные частицы были названы «электронами». Открытие Джозефа Джона Томсона стало одним из важнейших открытий в физике XIX века.

Позже с помощью прибора, изобретенного Ч. Вильсоном, удалось получить значение заряда электрона. Оказалось, что оно действительно соответствует значению заряда иона водорода. Предположение Томсона подтвердилось.

В 1906 году Джозеф Джон Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

В своей презентационной речи, произнесенной 10 декабря 1906 года, профессор Дж. П. Класон, президент Шведской королевской академии наук, поблагодарил ученого за его работы, которые позволили современным физикам предпринять исследования в новых направлениях. Также Класон заявил, что Томсон по праву занимает место в одном ряду с такими гениями науки, как Фарадей и Максвелл.