Виктор де Касто - PRO Антиматерию

Название «электрон» происходит от греческого слова, означающего «янтарь». В Древней Греции естествоиспытатели проводили эксперименты с кусками янтаря – их терли шерстью, после чего те начинали притягивать к себе мелкие предметы. Первым слово «электрон» использовал Джордж Стони, в дальнейшем его стал использовать и Джозеф Джон Томсон, о котором мы расскажем ниже. Это стабильная отрицательно заряженная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Заряд электрона неделим, впервые он был измерен русским физиком А. Ф. Иоффе в 1911 году и американским физиком Робертом Милликеном в 1912 году. Эта величина служит единицей измерения электрического заряда других элементарных частиц, хотя, в отличие от заряда электрона, элементарный заряд обычно берется с положительным знаком.

Датой открытия электрона считается 1897 год – в этом году Джозеф Джон Томсон поставил эксперимент по изучению катодных лучей. Томсон долгие годы возглавлял Кавендишскую лабораторию в Кембридже, к этому периоду относятся все исследования Томсона по прохождению электричества через газы, за которые он получил Нобелевскую премию по физике в 1906 году.

Вопрос природы катодных лучей занимал Томсона на протяжении многих лет, он всегда склонялся к тому, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от ряда немецких физиков, которые считали, что это волны, проходящие в эфире. На мнение Томсона влиял, в основном, тот факт, что лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении.

Джозеф Джон Томсон (1856–1940) – английский физик, один из основоположников классической электронной теории металлов

Вначале ученый считал, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Но измеряя магнитное отклонение количественно, он начал сомневаться в правильности этой точки зрения, поскольку отклонение было существенно больше, чем предсказывала гипотеза. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами одновременно с передаваемым ими зарядом.

К этому времени еще не ставилось ни одного эксперимента, в котором можно было бы одновременно определить и заряд, и отношение массы к заряду частицы катодного луча. Томсон увидел возможность одновременного определения этих величин для частиц, уносящих отрицательный заряд при попадании ультрафиолетового излучения на цинк. Он разработал метод определения отношения массы к заряду для них и заряда одной частицы методом капельной конденсации. Целью эксперимента было однозначно показать: эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе. В первых публикациях на эту тему Томсон еще не использовал слово «электрон», он называл эти частицы «корпускулами».

Питер Зееман (1865–1943) – голландский физик. Исследователь воздействия магнитного поля на спектральные линии источника излучения. Открыл эффект, известный теперь под названием «эффекта Зеемана»

Затем Томсон стал подробнейшим образом разрабатывать концепцию электронов как частиц, входящих в состав атома. Он определил, что количество электронов в атоме зависит от атомного веса. Томсон предложил модель атома, который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере. Он показал, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа.

То есть мы точно знаем, что электроны существуют, с 1897 года. Также мы знаем, что их присутствие в атомах является источником спектра. Даже до того как Томсон доказал это – доказал так, что не осталось сомнений, ученые подозревали, что существует эта составляющая атома, и даже приходили к выводу, что у нее имеется электрический заряд и она обладает двусторонним магнетизмом, сродни двойственности северный полюс – южный полюс самого обычного магнита. Полвека спустя это объяснил Поль Дирак и предсказал существование антиматерии.

В 1896 году Питер Зееман, физик Амстердамского университета, а в дальнейшем директор института физики этого университета, лауреат Нобелевской премии по физике 1902 года за выдающиеся заслуги в исследованиях влияния магнетизма на радиационные явления, обратил внимание на то, что, когда сильные магниты находятся рядом с его образцами, яркие желтые линии, излучаемые натрием, слегка меняются.

Спектральные линии, которые он исследовал, обычно были резкими и четкими, но, как обратил внимание Зееман, расширялись в магнитном поле. В дальнейшем, после появления более мощной аппаратуры, выяснилось: то, что казалось расширением, в действительности является разделением одной линии на две или больше. Зееман в свое время при имевшихся в его распоряжении инструментах этого видеть не мог. Он смотрел на спектральные линии, как смотрит близорукий человек без очков.

Выяснилось, что это происходит из-за магнетизма электрона. Так же как магниты могут притягивать и отталкивать в зависимости от расположения севера и юга, точно так же и движение электрона в магнитном поле влияет на его энергию. Следствием этого является легкая модификация энергий любых эмитируемых фотонов, а поэтому изменяется и рисунок спектральных линий.

«Эффект Зеемана» показал, что электрон может действовать как маленький магнит со своим собственным северным и южным магнитными полюсами. Создавалось впечатление, что электрон способен вращаться и делать это в магнитном поле как в одну, так и в другую сторону, то есть по часовой стрелке и против. Сегодня идея о том, что электрон, размер которого не поддается измерению, может «вращаться», кажется не имеющей смысла, но физики все равно продолжают использовать слово «спин», когда говорят о способности электрона действовать как магнит.

Определенно гипотеза о такой двойственности электрона объяснила множество данных в атомной спектроскопии, но на протяжении многих лет идея о «вращении» (спине) была немногим более отчаянной попытки найти смысл во множестве собранных данных. И только Поль Дирак, соединив теорию относительности с квантовой механикой, смог объяснить, каким образом появилось это свойство и почему это происходит.