Коллектив авторов - 100 великих научных открытий

Далее Томсон переключился на вакуумные трубки, внутри которых возбуждалось катодное излучение, и поставил целый ряд экспериментов. В первой группе опытов он воздействовал на лучи магнитным полем и увидел, что они сильно искривляются. На втором этапе Томсон задумал пронаблюдать за поведением лучей в электрическом поле (поскольку, как тогда уже знали, оно тесно связано с магнитным) и изготовил трубку полностью без воздуха, дабы исключить его влияние на направление потока. Подобные опыты немецких ученых провалились именно из-за того, что вакуумная среда содержала немного воздуха, но Томсон сделал все, чтобы такого не случилось, и катодный луч отклонился, причем по направлению было видно, что заряжен он отрицательно.

Третий этап начался еще с одного усовершенствования трубки: теперь ее устройство стало сложнее, а торец был покрыт особым составом, реагирующим на свет. С помощью этого прибора ученый смог максимально точно определить угол искривления луча, а затем, используя полученные данные, вычислил удельный заряд отдельной частицы — отношение ее заряда к массе. Данное число в тысячи раз превышало удельный заряд положительного иона водорода, а это свидетельствовало о том, что исследуемые частицы гораздо меньше атомов, но электричества в них несравненно больше.

Томсон поэкспериментировал с катодными лучами, помещая их в электростатическое и магнитное поля одновременно, с ультрафиолетом и даже с нагретыми до белого каления металлами. Измеряя и сравнивая соотношения заряда и массы излучаемых частиц, ученый убедился, что результаты идентичны, и заключил: лучи, испускаемые катодной трубкой, представляют собой поток мельчайших заряженных «корпускул» (так Томсон назвал электроны), и из этих «деталей» сложены абсолютно все атомы, в том числе водород. Вещество, из которого сделан катод, так же как и состав среды, где распространяются лучи, не влияет на удельный заряд частиц, а по массе каждая из них более чем в 1830 раз уступает водородному атому.

Большинство современников Томсона отнеслись к его теории скептически: в их сознании не укладывалось, что атомы не целостны и что атом водорода — не самая легкая и маленькая частица.

Между тем Томсон поставил перед собой новую цель — воссоздать посредством корпускул-электронов модель атома. Это оказалось не так-то просто, ведь электроны заряжены отрицательно, а частицы с одноименным зарядом отталкиваются, но ученый нашел выход. По его версии, атом представляет собой что-то вроде кекса с изюмом: положительное облако, в котором свободно движутся многочисленные отрицательные частицы, — обе составляющие взаимно компенсируются, потому атом нейтрален.

Томсон представил эту модель в 1904 г., а семь лет спустя его же студент Эрнест Резерфорд выяснил, что, помимо отрицательных частиц, атомы содержат положительное ядро, и на основе данного наблюдения создал другую модель по образу и подобию Солнечной системы.

То, что катодные лучи, а следовательно, и электроны, могут существовать вне вакуума, обнаружил еще в 1893 г. немецкий физик Филипп Ленард (1862–1947). Для экспериментов с катодной трубкой он проделал в аноде дырочку и закрыл ее фольгой, а напротив разместил еще одну трубку с таким же «окошком». Катодный луч прошел сквозь оба отверстия и попал во вторую трубку, где исследовать его было удобнее. Ленард повторил в этой трубке опыты Томсона, а затем принялся направлять излучение на разные предметы, что позволило ему сделать несколько важных выводов: электрические лучи способны проникать внутрь разных материалов, на глубину, которая зависит от плотности и толщины вещества, а также скорости и энергии частиц, составляющих излучение. Кроме того, ученый обнаружил, что вес атомов распределяется неравномерно и сконцентрирован в одном месте, и ему представилась модель в виде шарообразной оболочки, заполненной сцепленными парами положительных и отрицательных частиц.

Продолжая изыскания Ленарда, посвященные взаимодействию заряженных частиц с разными веществами, подчиненный Томсона — Чарлз Вильсон (1869–1959) сконструировал камеру с насосом, который регулировал объем и давление газа. (Изначально, кстати, ученый планировал сделать аппарат для создания искусственных облаков путем конденсации пара, что дало бы возможность устраивать в лаборатории грозы.) Когда Вильсон направлял в камеру катодные и рентгеновские лучи, те превращали атомы газа в ионы, а капли пара позволяли увидеть их невооруженным взглядом. Ученый чуть видоизменил свой прибор, и пар стал оседать по следу электронов, проявляя дорожку из ионизированных атомов, подобно тому как атмосферный пар формирует конденсационный след самолета.

Так был открыт новый способ изучения ионизированных газов, более того, камера Вильсона помогла ученым точно определить электрический заряд. Самый достоверный результат — 4,796×10 -10 — получил американец Роберт Милликен, который догадался вдувать в камеру из распылителя масляную каплю. При трении о распылитель капля электризовалась, и по скорости ее падения в электрическом поле и вне его рассчитывалась величина заряда.

Последующие эксперименты Томсона показали: количество электронов в атоме совпадает с его номером в таблице химических элементов Менделеева. Это открытие помогло Резерфорду определить заряд ядра и, рассчитав по нему численность положительных частиц, выяснить, что она равна количеству отрицательных частиц. Поэтому атом не имеет заряда, то есть нейтрален.

В 1906 г. Томсону вручили Нобелевскую премию. Несмотря на то, что Резерфорд своими исследованиями поставил крест на его атомной модели, она стала важным шагом на пути к пониманию структуры материи.

На заре XX в. ученые уже знали, что представляет собой атом ― это ядро, окруженное электронами. Но как устроено ядро? Долгое время это оставалось загадкой, и первым за ее разгадывание взялся английский физик Эрнст Резерфорд (1871–1937). Что, если во всех атомах, независимо от того, какому элементу они принадлежат, ядра водородные? — подумал ученый и для проверки пронаблюдал за тем, как альфа-лучи, состоящие из положительных ядер гелия (которые образуются, например, при распаде тяжелых ядер урана), атакуют атомы азота. Время от времени из азотных ядер вылетали какие-то частицы — фотопленка запечатлевала их, но из-за невыразительности изображения Резерфорду и его студентам сложно было что-либо разглядеть. Приходилось почти всю ночь сидеть без света и ждать, пока глаза привыкнут к темноте, а уже потом приступать к эксперименту. Только так исследователи смогли изучить световые отпечатки, и их форма показалась Резерфорду схожей с траекториями кислородных и водородных ядер. Догадка вроде как подтвердилась, и обнаруженные частицы были названы протонами (от греч. «первый») — поскольку водород стоит в таблице Менделеева под номером 1.