История открытия электрона. Роль Дж. Томсона

День 30 апреля 1897 года официально считается днем рождения первой элементарной частицы - электрона. В этот день глава Каведишской лаборатории и член Лондонского королевского общества Джозеф Джон Томсон сделал историческое сообщение " Катодные лучи " в Королевском институте Великобритании, в котором объявил, что его многолетние исследования электрического разряда в газе при низком давлении завершилось выяснением природы катодных лучей. Поместив газоразрядную трубку в скрещенные магнитное и электрическое поля, он по наблюдению компенсирующего эффекта этих полей надежно определил удельный заряд частиц, поток которых и составлял катодные лучи.

Идея о дискретности электрического заряда прочно утвердилась в науке благодаря предшествующим исследованиям электрических явлений. Еще Майкл Фарадей (1791-1867) в первой половине 1830-х годов при исследовании прохождения тока через электролиты установил, что для выделения на электроде одного грамм-эквивалента любого вещества требуется пропустить через раствор одно и то же количество электричества, которое стали называть числом Фарадея.

В своей работе он писал: "Атомы тел... содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними". Но все же он не сделал вывод о существовании минимального элементарного заряда.

К такому выводу из законов электролиза пришел в 1874 году ирландский физик Стони Стоней (1826-1911), а затем в 1891 году он постулировал существование в атоме заряда, назвав его электроном. Но в этих прогнозах подразумевалось, конечно, что носителем отрицательного электричества будет частица вещества типа ионов в электролите, осаждающихся на положительном электроде.

Однако полученный Дж. Дж. Томсоном результат оказался совершенно неожиданным и даже парадоксальным для современников. Прежде всего проделанная серия экспериментов показала, что результаты измерений с катодными лучами совершенно не зависели от типа газа, в котором проходил разряд. Кроме того, измеренное отношение e/m (удельный заряд) получилось аномально большим: оно оказалось почти в 2 тысячи раз больше отношения величины элементарного электрического заряда к массе наилегчайшего атома водорода. Он также подчеркнул, что открытые им частицы входят составной частью в атомы любого газа. Приведем здесь слова Дж. Дж. Томсона по данному поводу: "В результате этого, очевидно, получается значение заряда, не зависящее от природы газа, так как носители заряда те же самые для любого газа. Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние материи, состояние, в котором деление материи идет много дальше, чем в случае обычного газообразного состояния,... эта материя представляет собой то вещество, из которого построены все химические элементы".

Еще до открытия электрона Дж. Дж. Томсон достоверно доказал корпускулярную природу катодных лучей, которые многими видными учеными (Генрих Герц, Филипп Ленард и др.) принимались за электромагнитные волны. Это же сделал и И. Пулюй.

Позднее (1903) Дж. Дж. Томсон выдвинул модель атома, в которую электроны входили в виде точечных отдельных частиц, плавающих в непрерывной положительно заряженной среде атома. Следует отдавать себе отчет, насколько трудно было тогда представить атом в виде пустоты, в которой и положительные заряды сосредоточены в малом объеме центрального ядра. (Все же подобная планетарная модель была предложена еще раньше французским ученым Жан Перреном в 1901 году и затем в 1904 году японским физиком Хантаро Нагаока, который электроны в атоме сравнивал с кольцами планеты Сатурн). Дж. Дж. Томсон в 1904 году ввел также представление о том, что электроны в атомах разделяются на отдельные группы и тем самым предопределяют периодичность свойств химических элементов. Малая величина массы электрона была воспринята как мера инерции, присущая самому электрическому полю частицы. Еще в начале своей научной деятельности (1881) Дж. Дж. Томсон показал, что электрически заряженная сфера увеличивает свою инертную массу на определенную величину, зависевшую от величины заряда и радиуса сферы, и тем самым он ввел понятие электромагнитной массы. Полученное им соотношение было использовано для оценки размера электрона в предположении, что вся его масса имеет электромагнитную природу. Этот классический подход показал, что размеры электрона в сотни тысяч раз меньше размеров атома.

Интересно, что открытие электрона опередило открытие протона, к которому привели исследования каналовых лучей в трубке Крукса. Эти лучи были открыты в 1886 году немецким физиком Эугеном Гольштейном (1850-1930) по свечению, образующемуся в проделанном в катоде канале.

В 1895 году Ж. Перрен установил положительный заряд, переносимый каналовыми частицами. Немецкий физик Вильгельм Вин (1864-1928) в 1902 году по измерениям в скрещенных магнитном и электрическом полях определил удельный заряд частиц, который при наполнении трубки водородом соответствовал весу положительного иона атома водорода.

Открытие электрона сразу оказало влияние на все дальнейшее развитие физики. В 1898 году несколько ученых (К. Рикке, П. Друде, и Дж. Томсон) независимо выдвинули концепцию свободных электронов в металлах. Эта концепция в дальнейшем была положена в основу теории Друде-Лоренца. А. Пуанкаре свою фундаментальную работу по теории относительности озаглавил "О динамике электрона". Но все это было не только началом бурного развития физики электронов, но и началом революционного преобразования основных физических положений. С открытием электрона рухнуло представление о неделимости атома, и вслед за этим начали формироваться исходные идеи совершенно неклассической теории поведения электронов в атомах.

За прошедшее столетие значение открытия электрона непрерывно возрастало.

Его работы посвящены изучению прохождения электрического тока через разреженные газы, исследованию катодных и рентгеновских лучей, атомной физике. Он также разработал теорию движения электрона в магнитном и электрическом полях. А в 1907 году он предложил принцип действия масс-спектрометра. За работы по исследованию катодных лучей и открытие электрона ему присуждена Нобелевская премия за 1906 год.