Татьяна Гнедина - Открытие Джи - Джи

Но Томсон недаром был «нападающим» в науке, как и в футболе. Не останавливаясь на побочных эффектах, он пробивается вперед, чтобы забить гол в ворота истории науки.

Прежде всего он разрабатывает несколько методов экспериментального определения параметров неизвестных частиц. Для Томсона измерить — значит доказать.

Какие же параметры «еще не существовавших» частиц были выбраны Томсоном?

Здесь-то и намечается тот переломный пункт, когда будничное научное исследование превратилось в открытие. Томсон начинает представлять себе эти мельчайшие частицы, как реально существующие, и обращается с катодными лучами, как будто он уже знает, что они бесспорно состоят из электрически заряженных крупинок, обладающих и кинетической энергией mv 2/2 и электрическим зарядом е. При этом напрашивается сам собой интересный критерий поведения этих мельчайших крупинок: отношение их массы m к их заряду е. В самом деле: чем больше масса частиц m, тем меньше их отклонение в электрическом и магнитном полях, но зато чем больше их заряд е, тем, естественно, отклонение катодных лучей больше. Следовательно, измеряя отклонения лучей, можно оценить отношение их массы к заряду, а это кое-что может нам сказать и о природе частиц, из которых, по-видимому, состоят катодные лучи.

Один из вариантов метода определения m/e будущих электронов, примененный Томсоном впервые, состоял в следующем.

Поток катодных лучей падал на термоэлектрический спай (термопару), отдавая ему кинетическую энергию частиц, равную N mv 2/2 где N — число частиц, проходящих через поперечное сечение пучка за данное время. Термопара, естественно, нагревалась под действием поглощаемой кинетической энергии катодных лучей, и это тепло нетрудно было измерить по повышению температуры спая.

Конечно, согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия электрически заряженных частиц равна теплу, приобретаемому термопарой.

С другой стороны, можно было с помощью геометрических построений легко измерить радиус кривизны траектории катодных лучей при их отклонении в магнитном поле. Томсон обозначил этот радиус кривизны через р. Тогда, если выразить напряженность магнитного поля через Н, можно написать уравнение: mv/e = Hp.

Анализ этого уравнения мы представляем юным историкам науки.

Затем Томсон записал следующие формулы:

1) W = mv 2/2 — кинетическая энергия частиц;

2) Q = N-e — количество электричества, переносимое этими частицами;

3) V = 2W/QH

4) m/e = H 2p 2Q/2W.

Таким образом, измерив напряженность магнитного поля Н, радиус кривизны р, количество электричества Q и кинетическую энергию W по нагреву термопары, Томсон сумел впервые измерить неизвестных частиц. Это и послужило первой ступенькой открытия элементарной частицы материи, ибо это отношение, равное 0,4 X 10 -7, оказалось так мало, что заставило предположить: обнаруженные частицы не сравнимы ни с одним из известных атомов или молекул. Новые частицы в тысячу раз легче, чем самый легкий атом — водорода!

Здесь мы предлагаем читателю заглянуть в современные физические справочники и убедиться в том, сколь грубы были первые эксперименты Томсона.

И все-таки Томсон не был бы одним из лучших экспериментаторов своего времени, если бы не продолжил свои опыты по измерению m/e в различных газах.

В самом деле: определив m/e в воздухе, мы еще не доказали, что получим то же самое в аргоне, неоне, водороде. А может быть, полученная нами новая частица не универсальна, а наблюдается только в разреженном воздухе?

И Томсон измерил m/e не только в различных газах, через которые проникали катодные лучи, но изменил самый метод определения этого отношения. Им был разработан знаменитый способ, вошедший впоследствии в атомную физику для разделения электрически заряженных частиц с разными массами и зарядами. Этот метод состоял в том, что на катодные лучи одновременно действовали и электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно друг другу. Под действием этих взаимно перпендикулярных полей частицы начинали описывать циклоиду — кривую, диаметр которой зависит от напряженности электрического и магнитного полей, а также от отношения m/e. Катодные лучи заключали в коробку с передвижными стенками, служившими обкладками конденсатора. Отодвигая обкладки, изменяли напряженность электрического поля, а таким образом и диаметр циклоиды, описываемой частицами. Можно было, конечно, менять и напряженность магнитного поля. Диаметр циклоиды вычислялся по формуле: 2Xm/eH, где X — напряженность электрического поля, Н — напряженность магнитного поля, m и е — параметры исследуемых неизвестных частиц.

Нетрудно себе представить, какие широкие перспективы открыл метод Томсона, когда физика стала располагать, кроме электрона, другими электрически заряженными частицами, с различными m и е. Этот метод был опубликован Томсоном впервые в журнале «Тhе London Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science» за 1899 год.

В своей статье он описывал также опыты, когда частицы наблюдались не только в различных газах, но и под действием разнообразных возбудителей электропроводности газа. Что это означало? Чрезвычайно важный шаг в работах Томсона: частицы с удивительным отношением m/e наблюдались не только в катодных лучах, но и в электрически ионизованных газах, подвергнутых воздействию рентгеновых лучей или ультрафиолетового облучения. Вот уж теперь можно было говорить об универсальной частице материи: ведь она существует не только в катодных лучах, проходящих через различные газы, но и в газах, подвергнутых ионизации. Эти последние эксперименты — также интересный материал для пытливого историка науки.

Наконец Томсон совершил, казалось бы, совсем необоснованный скачок: он перешел от исследования газов и катодных лучей к изучению электрически заряженного облачка над накаленной угольной нитью. И что же? Над этим первобытным накаленным катодом также носились корпускулы с неизменным отношением m/e. В ходе новых экспериментов Томсон стал исправлять свои ошибки: отношение m/e оказалось у него теперь значительно более точным, чем раньше, и приближалось к его современному значению.

И вот здесь-то у читателя должно возникнуть некоторое сомнение в убедительности вывода Томсона о том, что малость отношения m/e неопровержимо доказывает, что сама масса неизвестных «корпускул» чрезвычайно мала. В самом деле: ведь мы еще не знаем, каков сам заряд этих частиц е! Может оказаться, что этот заряд так велик, что служит причиной малой величины отношения!

Читатель, ты вправе высказать это сомнение, пока тебе, как и Джи-Джи до 1898 года, еще неизвестна величина электрического заряда электрона.

«…Итак, я определил величину отношения массы m к заряду е в потоке отрицательного электричества, из которого состоят катодные лучи, — писал тогда Томсон. — Результат показал, что величина этого отношения гораздо меньше, чем отношение массы к заряду ионов при электролизе растворов солей и кислот, и что она не зависит ни от природы газов, через которые распространяется электрический разряд, ни от материала электродов. Однако в этих экспериментах определялось только отношение m/e, но не раздельно m и е. Поэтому можно было предположить, что малость этого отношения обусловлена либо большим зарядом е, превышающим заряд ионов в электролитах, либо масса m неизвестных «корпускул» меньше массы любого известного иона. Несмотря на то, что у нас были основания предполагать, что заряд е лишь незначительно отличается от зарядов ионов в электролитах и что мы имеем дело с массами, меньшими атома, тем не менее я счел эти соображения косвенными и хотел, если это возможно, определить непосредственным измерением m или е. Для катодных лучей я не видел удовлетворительного метода, чтобы это сделать…»