Джордж Джонсон - Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Вернувшись из Европы, чтобы приступить к работе в Чикагском университете, где в то время царствовал Майкельсон, Милликен издалека наблюдал за работами некоторых величайших европейских ученых, увлеченных новой физикой. В Кавендишской лаборатории Кембриджа Дж. Дж. Томсон показал, что пучок можно отклонять не только магнитом, но и сильным электрическим полем. Герц неудачно провел эксперимент, в котором пучок проходил между параллельными пластинами внутри вакуумной лампы. Когда на пластины подавалось напряжение от электрического элемента, пучок не смещался. Герц решил, что эти лучи — нематериальные возмущения эфира. (Урок Майкельсона-Морли все еще не был усвоен.)

Томсон подозревал, что Герц недостаточно откачал воздух из лампы и оставшиеся молекулы закорачивают пластины так, словно они оказываются под дождем. При более высоком вакууме он смог подтолкнуть пучок в сторону положительного полюса — серьезное указание на то. что катодные лучи состоят из отрицательно заряженного вещества, частиц электричества, или электронов.

Я не собирался покупать установку Томсона, но красота эксперимента настолько соблазнила меня, что я не устоял: в простой деревянной рамке установлена сферическая вакуумная трубка с заострениями, а большие медные катушки Гельмгольца (названы так в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца) крепятся по бокам. При расстоянии между ними, равном их радиусу (15 см), они создавали равномерное магнитное поле, в котором оказывалась трубка. Прибор был изготовлен в Германии для демонстрации на уроках физики, и посеревшее и потрескавшееся покрытие электрических клемм позволяло предполагать, что сделали его в 60-е годы прошлого века.

Никакого руководства не было, а вместо него оказался толстый лист чертежной бумаги, на котором кто-то цветными карандашами изобразил схему включения прибора: для разогрева металлического катода и выброса электронов, ускоряющихся значительно большим напряжения на аноде, подавалось напряжением 6,3 В. Третий источник тока должен был питать катушки Гельмгольца. Я подсоединил провода к моему источнику питания и выключил свет.

Зрелище было жутковатым. По мере того как я увеличивал напряжение на аноде, вокруг катода собиралось зеленоватое облако в форме яблока, оно росло и наполнялось светом до тех пор, пока при 160 В тонкий как волосок синий луч «выстрелил» из самой сердцевины и ударил в верхнюю часть стекла. Настоящий джинн в бутылке! Каким страшным это все должно было казаться Круксу и другим пионерам электронно-лучевых приборов! Некоторым чудилось, что они видят эктоплазму, ту самую субстанцию, появляющуюся из отверстий в теле медиума во время спиритического сеанса. Поднеся стержневой магнит к стеклу, я заставил джинна искривиться. Черный полюс отклонял пучок на меня, а красный — отталкивал.

Теперь пришла пора подать напряжение на катушки. Я стал потихоньку вертеть ручку, и при напряжении 3,5 В и токе 0,76 А пучок закрутился по часовой стрелке и образовал сияющий круг внутри трубки. Если анод старался толкать электроны строго вверх, то магнитный ветер сносил их в сторону — две силы встретились под прямым углом и, как понял Томсон, результат этой борьбы зависит от массы частиц и их заряда. Эксперимент не мог ему дать ни одной из этих величин (потому что легкие, слабо заряженные частицы будут вести себя так же, как и тяжелые частицы с большим зарядом). Но соотношение величин определить можно.

Я подставил свои величины — анодного напряжения, тока на катушках, радиуса мерцающего круга — в его уравнение и произвел вычисления. Получилось 2,5 х 10 8кулона на грамм (единица электрического заряда «кулон» была названа в честь французского ученого Шарля Огюстена Кулона, она приблизительно равняется количеству электричества, проходящему ежесекундно через 100-ваттную лампочку). Я получил итоговую величину примерно на 50 % больше общепринятой, но был доволен тем, что хоть количество нулей в результате совпало.

Более важным было то, что Томсон собирался показать, а именно: отношение заряда и массы частиц луча не зависит ни от конкретного газа в трубке, ни от металла, из которого сделан катод. Это означает, что, независимо ни от чего, луч будет состоять из одного и того же вещества.

И каким же странным было это вещество! Отношение заряда к массе уже было измерено для занимающего самое высокое место в периодической таблице атома водорода, когда он перетекал от полюса к полюсу электролитического элемента. Для электрона эта величина была почти в тысячу раз больше. Либо у него должен быть огромный заряд, либо, как предполагал Томсон, он несоизмеримо меньше атома. Интуиция подсказывала Томсону, что он открыл нечто невообразимое — субатомную частицу.

Шел 1906 год, и Милликен чувствовал себя как человек, утративший почву под ногами. К этому времени он уже десять лет провел в Чикаго, но оставался всего лишь доцентом. Правда, он считал себя хорошим преподавателем, и недаром его учебники хорошо продавались. Однако ему исполнилось тридцать восемь — возраст вполне зрелый для физика, — а он не сделал еще ни одного большого открытия!

Милликен знал, что впечатляющий эксперимент Томсона не дал ответов на все вопросы. Под найденное соотношение подпадало очень много значений заряда и массы. Такая неопределенность не могла развеять скептицизм немецких ученых, по-прежнему считавших, что электричество — это эфирные волны. Чтобы разрешить этот вопрос, нужно было найти хотя бы одну величину из соотношения Томсона, то есть либо массу, либо заряд электрона.

Милликен начал с повторения эксперимента, в котором один из ученых группы Томсона в Кавендишской лаборатории определил время, за которое заряженный туман из водяных паров, ионизированный либо рентгеновскими лучами, либо излучением радия, полностью оседает на стенках герметичного сосуда. Туман находился между двумя металлическими пластинами, подключенными к полюсам гальванического элемента. Заметив, как скорость осаждения пара меняется в зависимости от величины электрического поля, можно определить общий заряд облака. Если же величину этого заряда разделить на количество заряженных частиц, которые, по вашему предположению, содержатся в облаке, можно рассчитать примерную величину заряда одного электрона.