к оглавлению

ОБ ИСТОРИИ ОТКРЫТИЯ ЭЛЕКТРОНА

А. А. Тяпкин

(ОИЯИ, Дубна, Россия)

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.

Нужно сказать, сама идея о дискретности электрического заряда прочно утвердилась в науке благодаря предшествующим исследованиям электрических явлений. Еще Майкл Фарадей (1791-1867) в первой половине 30-х годов прошлого века 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.

Рис. 1. Дж.Дж. Томсон в 1890 году в своей лаборатории.
(Эта фотография из архива Кавендишской лаборатории была
опубликована в European Journal of Physics v.18, p.131)

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 атома 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. Чтобы исключить возможность объяснения полученного результата повышенной концентрацией заряда на отдельной частице, исследователь предпринял специальные контрольные измерения абсолютной величины заряда. И только после того, как эта версия была отвергнута экспериментально, Томсон публично объявил о своем необычном открытии отрицательно заряженных частиц с аномально малой массой. 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". (См. С.Глесстон, Атом, атомное ядро, атомная энергия.- Изд-во иностр. лит., 1961, стр. 45).

Открытию электрона в немалой степени способствовало предшествующее развитие методики и усовершенствование техники электрического разряда в газах. Само явление свечения газа при прохождения через него электрического тока было обнаружено и впервые исследовано в 1838 году М. Фарадеем. Через 20 лет после этого немецкий физик и изобретатель Генрих Гейсслер (1815-1879) впаял в стеклянную разрядную трубку два металлических электрода и исследовал на ней свечение газов, показав, что цвет свечения зависит от природы газа. Важную роль для изучения разряда в разреженных газах сыграло изобретение манометра для измерения низких давлений газа (Г.Маклеод). Ряд усовершенствований в разрядные трубки внес английский исследователь Уильям Крукс (1832-1919). Его исследования доказали, что катодные лучи переносят энергию и импульс (1879). "Круксовы трубки" получили широкое применение в различных лабораториях. 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.

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) продолжил эти исследования и 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. Х. Лоренц, развивавший электромагнитную теорию Максвелла на основе идей атомистики, ввел в свою теорию точечные электроны. В. Кауфман в опытах по измерению отклонения электронов подтвердил возрастание массы от скорости движения электрона (1902).

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.

Так произошло в конце прошлого века одно из крупнейших открытий, последствия которого невозможно переоценить. За прошедшее столетие значение открытия электрона непрерывно возрастало. И то, что сегодня мы отмечаем столетие этого открытия в Институте электронной физики, созданном всего пять лет назад в центре Закарпатии Ужгороде, симптоматично само по себе, свидетельствует о продолжающемся и сегодня развитии физики электронов.

В заключение приведем дополнительные сведения о научной биографии открывателя электрона.

ТОМСОН Джозеф Джон (18.12.1856 - 30.08.1940) - член Лондонского королевского общества с 1884 года и его президент в 1916 - 20 годы.

В 1880 году он окончил Кембриджский университет, а в 1884 году становится профессором Кембриджского университета и директором Кавендишской лаборатории. На этом посту он работал до 1919 года. В 1905-18 годах он становится также профессором Королевского института, а с 1918 года возглавил Тринити колледж в Кембридже.

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.

Дополнительно отмечу еще одну оригинальную работу Дж. Дж. Томсона. В 1907 году он показал, что гибкий натянутый проводник с током в магнитном поле принимает положение равновесия, которое совпадает с траекторией заряженной частицы с импульсом, равном для однозарядной частицы 2,94 T/I Мэв/с, где натяжение проводника T выражено в граммах, а величина тока I - в амперах. Этот метод определения траекторий оказался весьма удобным для непосредственного провешивания в реальном пространстве траекторий мезонов на ускорителях с постоянном во времени магнитном поле. (См. М. С. Козодаев, А.А. Тяпкин //ПТЭ, N 1, 1956, стр.21).

ПОСЛЕСЛОВИЕ

Нужно отметить, что в конце прошлого столетия произошла удивительная концентрация трех самых неожиданных открытий, прямо или косвенно связанных с исследованиями на трубках Крукса. Эти открытия были удостоены в начале нашего столетия Нобелевских премий.

1. Так в самом конце 1895 года немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген (1845-1923) открывает проникающее излучение, возникающее в разрядной трубке под действием катодных лучей.

2. Затем 1 марта 1896 года на заседании Академии наук в Париже Анри Беккерель (1852-1908) доложил об открытии радиоактивности урана. Это самое неожиданное открытие за всю историю физики было индуцировано ошибочной гипотезой, высказанной А.Пуанкаре. (См книгу А.Тяпкин, А. Шибанов - ПУАНКАРЕ. - М.: ЖЗЛ, 1979, стр.250).

3. Следующим крупнейшим событием конца ХIХ века было рассказанное здесь открытие электрона весной 1897 года, столетие которого мы отмечаем сегодня.

к оглавлению

Знаете ли Вы, низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.

Bourabai Research Institution home page

Боровское исследовательское учреждение - Bourabai Research Bourabai Research Institution