Охотники за частицами

На стороне Гольдштейна были результаты еще одного важного опыта, который провел в 1895 году французский физик Жан Перрен. Он решил определить знак заряда потоков «субстанций». Опыт был не из легких, но в основе его лежала та самая идея, с которой вы в школе начинаете изучать электричество.

Электроскоп! Тот самый электроскоп, листочки которого сигнализируют о заряде, перешедшем на шарик с бузиновой или стеклянной палочки.

Перрен поместил в разрядную трубку металлический цилиндр «без дна и покрышки» как раз так, чтобы через него проходил поток «субстанции». Тонкая проволочка от этого цилиндра — его придумал неистощимый Фарадей — выходила через трубку и присоединялась к электроскопу, который уже был заряжен положительно.

Вот и вся установка. «Дешево и сердито!» — как сказал бы наш современник. И через пять минут после начала опыта, когда было включено напряжение и через цилиндр хлынули потоки «лучистой субстанции», Перрен уже знал, что она заряжена, причем заряжена отрицательным электричеством.

…Так растут, сливаются друг с другом отдельные кристаллики нового знания. Еще одно открытие — и все они сольются в единый монолитный кристалл. Этот заключительный шаг делает английский физик Джозеф Джон Томсон.

…Тихий университетский городок неподалеку от Лондона. Низенькие, построенные еще в средневековую старину здания. Размеренный, словно навеки заведенный, уклад жизни. И при всем при том не много городов знает такое жаркое кипение научных страстей, такое количество крупнейших открытий, какое было сделано в этом городе.

В десять часов вечера городок укладывается спать. Лишь в немногих окнах допоздна горит свет. Горит он и в окне квартиры скромного университетского профессора физики Томсона. Подытоживаются результаты дня, обрабатываются результаты опыта, лист за листом заполняются неровными строчками формул и цифр.

Это не качественный опыт Перрена или Крукса. Результаты опыта требуют солидной обработки математикой. И окончательные цифры странны, очень странны…

Кембридж. Здесь на рубеже девятнадцатого и двадцатого веков Джозеф Джон Томсон открывает электрон…

Все началось с повторения опытов Крукса, Перрена и Герца. Необъяснимое противоречие между действием на «лучистую субстанцию» магнитного и электрического полей все же требовало окончательного разъяснения.

Скорее всего, думает Томсон, это противоречие могло быть связано с тем, что опыты предшественников были «грязными». Почему не допустить, что после откачки в сосуде все еще оставалось большое количество газа? Можно предположить, что это газ каким-либо образом экранирует приложенное к «субстанции» электрическое поле.

А для этого есть основания. «Лучистая субстанция», проходя через газ, оставляет за собой «попорченные» молекулы газа. В самом деле, ионизация газа в этих условиях уже наблюдалась не раз. В результате возникает — чем не электролит? Положительные ионы бегут к отрицательной пластине конденсатора, отрицательные ионы — к положительной. Вокруг «субстанции» образуется словно защитный чехол, в который электрическое поле проникает только сильно ослабленным.

Убрать нужно «грязь»! Откачивать, откачивать газ, сутками, неделями, если понадобится! Устранить все течи! А молекулы газа, пытающиеся при откачке осесть на стенках и электродах трубки, снова и снова вспугивать с их мест электрическими разрядами! Пусть вакуум в камере станет таким, чтоб манометр встал на пределе.

Такая «тренировка» трубки, как мы бы назвали ее сегодня, в конце концов дает свои плоды. Действие электрического поля на «субстанцию» становится все более отчетливым. «Лучистая субстанция» заряжена. Можно попытаться определить ее заряд уже не только по знаку, а и по его величине.

И Томсон придумывает, как это сделать. Он изобретает метод, который и поныне, спустя более чем полвека, является одним из наиболее могучих в экспериментальной физике. Его стоит описать.

«Лучистая субстанция» — неважно сейчас, из чего она состоит, — отклоняется и в магнитном и в электрическом поле. Если угодно, эти поля — как бы боковой ветер, дующий на бегуна. Можно оба ветра направить так, чтобы они дули на бегуна в противоположных направлениях — слева и справа. Уравняем силу этих ветров — тогда бегун понесется по прямой линии. И судья на финише флажком (электрическим током в цепи анода) отметит его появление. Замерим при этом силу обоих ветров (а в физическом опыте — это напряженности электрического и магнитного полей). Отсюда по несложной формуле можно определить скорость бегуна (электрона).

А теперь начинается вторая, самая интересная часть опыта. Начнем увеличивать силу одного из ветров — бегун начнет сбиваться с пути вбок. Судью с флажком все время придется перетаскивать к месту нового финиша. Наш бегун уже бежит по кривой дорожке, и чем сильнее один из ветров, тем сильнее искривляется путь бегуна.

По какой дорожке теперь несется бегун? Оказывается, по окружности. Места его старта и финиша известны. Сила сбивающих ветров тоже известна. Без труда находится радиус беговой дорожки, а из его величины — отношение заряда к массе бегуна.

Большего опыт дать не может. Определить в нем порознь массу и заряд «лучистой субстанции» невозможно.

Но не спешите разочаровываться. Иной раз и косвенное измерение дает не менее ошеломляющий результат, чем самое прямое! А в этом измерении есть нечто ошеломляющее. Оно дает результат: отношение заряда к массе составляет для «лучистой субстанции» величину порядка десяти миллионов.

Вам непонятно, что из этого следует? Томсону тоже непонятно, но другое: как может получиться такое отношение, если для легчайшего из атомов — атома водорода — при электролизе это отношение в тысячу раз меньше. Это означает не более и не менее, что частицы «лучистой субстанции» в добрую тысячу раз легче самого легкого атома на свете. Это не лоренцовы ионы!

Вы в это можете поверить легко. А каково было Томсону? Снова и снова опыты — и опять те же цифры. Вместо накаленной алюминиевой проволочки на катод ставится медная, золотая, бронзовая, наконец, платиновая — все тот же результат. Трубка из одного стекла заменяется трубкой из другого сорта стекла — все остается по-прежнему. Наконец, накаленная металлическая нить заменяется пластинкой, облучаемой светом, — и снова отношение заряда к массе частичек «лучистой субстанции» оказывается все тем же.

Вот это и есть упрямство факта. Томсон вынужден, и с превеликой неохотой, уступить этому упрямству. С неизбежностью приходится заключить, что:

атомы отныне нельзя считать неделимыми;

из них можно вырвать отрицательно заряженные частицы под действием электрических сил, нагревания и облучения светом;

эти частицы все имеют одинаковую массу;

они несут одинаковый заряд, от каких бы атомов ни происходили;

они являются составными частями всех атомов;

масса этих частиц меньше, чем одна тысячная часть массы атома водорода.

Эти слова были произнесены Томсоном 29 апреля 1897 года на заседании Королевского института в Лондоне.

Томсон вначале назвал открытые им частицы «корпускулами» — самым невыразительным словом, которое только можно придумать! Ведь по-латыни оно лишь означает «частицы». В его оправдание можно сказать только то, что спустя три года Планк назвал открытые им «частицы» энергии столь же невыразительно — «квантами» (а это на той же латыни означает не более, как «количество»).

Но не в названиях дело. Тем более, что уже вскоре Томсон «поправился» и дал своему открытию имя, предложенное за четверть века до того ирландским физиком Стони, — «электрон». И это имя сразу прочно вошло в обиход всей последующей физики.

Один философ как-то назвал открытие «венцом любопытства». Согласиться с ним трудно. Ученый, сделав открытие, редко догадывается в ту же минуту о его истинном значении. Напротив, ученый весь во власти сомнений.