– английский физик, обладатель Нобелевской премии, один из основоположников классической электронной теории металлов. Автор исследований катодных лучей и прохождения тока в разреженных газах. Открыт электрон и определил его заряд.

Родился Джозеф Томсон 18 декабря 1856 года в английском городке Читхэм-Хилл, пригороде Манчестера. Его отец был книготорговцем, он хотел дать сыну инженерное образование. В 14 лет Джозефа послали на учебу в Оуэнс-колледж в Манчестер, а затем в Тринити-колледж при Кембриджском университете. При колледже открылись курсы экспериментальной физики, которые по сути и определили дальнейшую судьбу Джозефа Томсона – он всерьез увлекся физикой и математикой. После окончания колледжа в 1880 году Джозеф получает степень бакалавра по математике. В этом году юный ученый пишет статью на тему «Электромагнитная теория света» и уже через год становится членом ученого совета Тринити-колледжа. К 1884 году Томсон уже профессор Кембриджского университета и руководитель Кавендишской лаборатории при колледже.

Занимаясь изучением прохождения электрического тока через разреженные газы, Томсон в 1897 году открывает электрон. Кроме того, он определяет его заряд и отношение заряда к массе электрона. За свои исследования ученому в 1906 году присуждают Нобелевскую премию в области физики. Также Джозеф Джон разработал теорию движения, открытого им электрона, в электрическом и магнитном полях . На основании своих наблюдений, Томсон предлагает свою модель атома. Он предложил, что атом – это положительно заряженная сфера с вкрапленными в нее электронами. Хотя в последствие она была опровергнута его последователями, но все же сыграла огромную роль в процессе изучения строения материи.

Джозеф Джон Томсон является одним из основоположников классической электронной теории металлов. Его формула (формула Томсона) до сих пор применяется в физике элементарных частиц для определения эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами.

Результаты его исследований сыграли важную роль в дальнейшем открытии фотоэффекта и термоэлектрической эмиссии. Джозеф Томсон установил природу положительных ионов, дал объяснение непрерывному спектру рентгеновского излучения. Он разработал метод парабол для измерения отношения электрического заряда элементарной частицы к ее массе, тем самым открыл путь для масштабного изучения изотопов.

За свою научную деятельность ученый был награжден медалями Франклина , Фарадея, Копли, Юза. Был лауреатом Нобелевской премии. Являлся членом Академий наук многих стран. Умер Джозеф Джон Томсон 30 августа 1940 году в Кембридже. За заслуги в области научной деятельности и величайший вклад в развитие многих направлений науки был похоронен в Вестминстерском аббатстве в Лондоне.

О научном «отце» Резерфорда и многих других нобелевских лауреатов, научном «дедушке» Капицы, человеке, открывшем первую в истории человечества элементарную частицу, классическом английском физике рассказывает наш сегодняшний выпуск рубрики «Как получить Нобелевку».

Сэр Джозеф Джон Томсон

Нобелевская премия по физике 1906 года. Формулировка Нобелевского комитета: «В признание огромного вклада в теоретические и экспериментальные исследования проводимости газов».

Наш нынешний персонаж кажется неординарным даже на фоне «обычного» нобелевского лауреата. Начнем с того, что семь его «научных сыновей» тоже стали нобелиатами (до пяти таких премий он дожил). Как и многие его «научные внуки», например Петр Капица. Стал нобелевским лауреатом и его родной сын, причем в связи с той же элементарной частицей, которую открыл наш герой. Догадались? Ну конечно же… Встречайте - JJ. И это не псевдоним какого-то рэпера, здесь старая добрая Англия. Джей-Джей - это имя собственное, хотя и является сокращением от сэра Джозефа Джона Томсона.

Впрочем, Томсон не был дворянином по рождению, как и его самый известный ученик, Резерфорд. Он родился в семье книготорговца, тоже JJ (Джозефа Джеймса) Томсона и Эммы Суиндейлс. Отец хотел, чтобы сын получил хорошее образование и стал инженером, а посему в 14 лет Джей-Джей-младший отправился в Оуэнс-колледж, ныне известный как Манчестерский университет.

Два года спустя Томсона-старшего не стало. Не стало и денег, однако помогла мать и хорошая успеваемость, обеспечившая стипендию. Обучение продолжилось. В Оуэнс-колледже был великолепный курс экспериментальной физики. Однако, чтобы заниматься физикой, уже тогда было нужно хорошее знание математики. И Томсон поступил в Тринити-колледж Кембриджа, где занимался теоретической физикой и математикой. В 1880 году, в 24 года, он получил звание бакалавра и начал работать в Кавендишской лаборатории (фактически - физфак Кембриджа). Напомним читателям, что лаборатория получила свое название не по имени знаменитого химика Генри Кавендиша, а по имени канцлера Кембриджа Уильяма Кавендиша (Генри был 2-м лордом Кавендишем, а Уильям - 7-м), пожертвовавшего большие деньги на ее строительство.

Эрнест Резерфорд

George Grantham Bain Collection/Library of Congress

Четыре года спустя, в 1884 году, когда Томсону еще не исполнилось 28 лет и никаких особенных научных достижений, кроме славы хорошего физика и математика с «правильными руками», за ним не числилось, случилось удивительное. В отставку ушел директор Кавендишской лаборатории Джон Уильям Стретт, третий , матерый человечище, который впоследствии (в 1904 году) получил Нобелевскую премию за открытие аргона и оставил свой титул в истории науки в терминах рэлеевского рассеяния и волнах Рэлея. До Стретта пост директора занимал сам Джеймс Клерк Максвелл. И тут на этот важный пост назначают Томсона. Удивительно! Писали, что один американский физик, стажировавшийся в лаборатории, узнав о новом кавендишевском профессоре, бежал на родину со словами «бессмысленно работать под началом профессора, который всего на два года старше тебя», а один кембриджский воспитатель-наставник высказался жестче: «…критические времена наступают в университете, если профессорами делаются просто мальчики!».

При этом выбор сделал сам уходящий в отставку Стретт. Может быть, потому, что при отсутствии пока что, как говорится, «прорывных» результатов, талант Томсона был все же очевиден? Недаром его первую печатную научную работу издали в «Трудах лондонского королевского общества», когда ему было всего 19. В любом случае, Стретт не ошибся - Томсон прекрасно руководил лабораторией более трети века, как и его предшественник, получил Нобелевскую премию и сдал свой пост не менее великому ученому… Но об этом позже.

Став директором и получив большую свободу действий, Томсон начал изучать электрическую проводимость газов в трубке Крукса. Это стеклянный сосуд с двумя электродами в противоположных его концах, из которого выкачан почти весь воздух. Собственно, Уильям Крукс, создатель этого прибора, обнаружил, что при достаточном разрежении воздуха стекло на противоположном катоду конце трубки начинает флуоресцировать желто-зеленым светом, видимо, под действием некоего излучения, которое было названо катодными лучами.

Несколько слов нужно, конечно, снова сказать о самом Уильяме Круксе, создателе катодной трубки. Известнейший ученый, открывший таллий и получивший в лабораторных условиях гелий, был заядлым спиритистом. В 1874 году он, будучи 42 лет от роду, в самом расцвете научных сил, опубликовал статью, в которой заявлял, что спиритизм - это научно и явления духов происходят на самом деле. Скандал был такой, что Круксу пришлось на много лет «залечь на дно» - дождаться того, что его научный авторитет стал незыблем, как и позиции в Королевском научном обществе, дождаться рыцарского титула в 1897 года и в 1898 году совершить каминг-аут в духе тех лет, заявив, что он убежденный спиритуалист. Им Крукс и оставался до самой смерти в 1919 году. Так что с 1913 по 1915 год Лондонское королевское общество возглавлял, по-нашему, лжеученый (но только в этом). Кстати, в 1915 году, на шесть лет, Крукса на этом посту сменил наш герой.

Уильям Крукс

Wikimedia Commons

Вернемся на три десятилетия назад, от старого Крукса к молодому Томсону. К началу его занятий с трубкой Крукса в научном мире шли серьезные споры. Условно говоря, представители британской школы (и сам Крукс) считали, что катодные лучи - это поток неких частиц, а представители германской, основываясь на не очень достоверных опытах Герца, считали, что они представляют собой волны эфира - некоей субстанции, пронизывающей пространство.

Главной заслугой Томсона стало то, что он сумел показать: катодные лучи - это все-таки частицы (корпускулы, как называл их сам Томсон), при этом всегда одни и те же. Томсон даже сумел померить соотношение заряда к массе частицы - ныне одну из фундаментальных констант. Так были открыты электроны, а человечество сделало первый шаг в глубины атома. Cам Томсон стал автором первой модели строения атома, которую называли «пудинг с изюмом»: в некоем размазанном положительно заряженном теле плавают или просто вкраплены «изюминки» - электроны.

Полвека спустя его родной сын и ученик получит Нобелевскую премию за то, что сумел показать двойственную природу электрона, открыв его волновые свойства. А намного раньше его первый ученик сделал следующий шаг в познании структуры атома и разрушил «вкусную» модель Томсона.

Модель атома Томсона, которую называли «пудингом с изюмом», сравнивая электроны с изюминками в кондитерском изделии

Wikimedia Commons

Еще до открытия электрона (1896−1897), в 1895 году в жизни Томсона и всей британской и мировой науки произошло еще одно важнейшее событие. Нет, это не Нобелевская премия – ее тогда вообще не присуждали, заслуженную награду Томсон получит только в 1906 году. В Кавендишской лаборатории появился первый докторант (research-student) Томсона, молодой новозеландец по имени Эрнест Резерфорд. Именно вместе с ним Томсон сделал главное открытие своей жизни.

Письма Резерфорда невесте сохранили нам описание Томсона и его семьи. «Он очень приятен в беседе и вообще вовсе не представляет собою старомодное ископаемое. Что касается внешности, он среднего роста, темноволос и очень моложав. Весьма скверно побрит и носит довольно длинные волосы. У него худощавое продолговатое лицо, выразительное голова, от носа спускаются вниз две глубокие вертикальные складки… Он пригласил меня на ленч к себе на Скруп-Террас, где я увидел его жену – высокую шатенку с болезненным лицом, но очень приветливую и словоохотливую…»

Дж. Дж. Томсон. Как вы видите, описание Резерфорда довольно точно

Wikimedia Commons

Надо сказать, что Джей-Джей был приличным мужчиной и, положив глаз на студентку в собственной лаборатории, он на ней женился. Тем более что папа студентки был региус-профессором медицины в Кембридже. В 1890 году 28-летний Томсон и Роза Паджет сыграли свадьбу, через два года у них родился первенец – Джордж Паджет. Нобелевский лауреат 1937 года за открытие волновой природы электрона.

Кстати, если хотите подробной статистики по номинациям 1906 года, то вот:

Нобелевская премия по физике, 1906 год. 18 номинаций.

Дж.Дж. Томсон - 8 номинаций

Гэйбриел Липманн (лауреат 1908 года) - 3

Анри Пуанкаре (его номинировали целый 51 раз, но так и не дали премию) - 3

Людвиг Больцман (вот уж кто заслужил премию, но, увы, в 1906 году умер) - 2

Остальные - по одной (среди них однофамилец Томсона - Уильям Томсон (1824−1907), более известный как лорд Кельвин, тоже не успевший получить премию)

Томсон прожил долгую жизнь. Он заработал дворянство, как любил говорить Владимир Ворошилов, «своим собственным умом», стал нобелиатом. В 1913 году он стал главой Лондонского королевского общества, в 1919 - передал профессорство вернувшемуся в Кембридж Резерфорду.

Стали нобелиатами семь его сотрудников, начиная с первого докторанта Резерфорда, которого Томсон пережил и похоронил. Он дождался Нобелевской премии своего сына. Он был главой Лондонского королевского общества, главой Тринити-колледжа… Когда он умер, ему было 84 года, шла Вторая мировая война, в разгаре была битва за Британию. Джей-Джей удостоился высочайшей чести быть похороненным в Вестминстерском аббатстве.

Джордж Паджет Томсон

Nobel foundation

Кстати, еще один интересный момент: Томсон - один из немногих нобелиатов первых лет, которых мы можем увидеть и услышать. На сайте Нобелевского комитета есть запись, сделанная в 1934 году, где Томсон рассказывает об открытии электрона.

А о самом вкладе Томсона, начавшего создавать школу Кавендишской лаборатории, можно сказать словами Оливера Лоджа: «Насколько меньше знал бы мир, если б Кавендишской лаборатории не было бы на свете. Но насколько уменьшилась бы слава этой прославленной лаборатории, если бы сэр Дж. Дж. Томсон не был одним из ее директоров!».

ТОМСОН Джозеф Джон ТОМСОН Джозеф Джон

ТО́МСОН (Thomson) Джозеф Джон (1856-1940), английский физик, основатель научной школы, член (1884) и президент (1915-1920) Лондонского Королевского общества, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1913) и иностранный почетный член (1925) АН СССР. Директор Кавендишской лаборатории (1884-1919). Исследовал прохождение электрического тока через разреженные газы. Открыл (1897) электрон и определил (1898) его заряд. Предложил (1903) одну из первых моделей атома. Один из создателей электронной теории металлов. Нобелевская премия (1906).
ТО́МСОН (Thomson) Джозеф Джон (18 декабря 1856, Чэтем Хилл, пригород Манчестера - 30 августа 1940, Кембридж; похоронен в Вестминстерском аббатстве), английский физик, член Лондонского королевского общества (см. ЛОНДОНСКОЕ КОРОЛЕВСКОЕ ОБЩЕСТВО) с 1884 и его президент (1916-20 гг.), автор исследований электрических токов в разреженных газах и катодных лучей, объяснивший непрерывность спектра рентгеновских лучей, выдвинувший идею о существовании изотопов (см. ИЗОТОПЫ) и получивший ее экспериментальное подтверждение, создатель одной из первых моделей атома, лауреат Нобелевской премии.
Математик приходит в физику
Родился в семье продавца книг. Отец хотел, чтобы он стал инженером, и когда Джозеф достиг четырнадцати лет, его отдали учиться в колледж Оуэна (впоследствии Манчестерский университет).
До середины 19 века в университетах не существовало исследовательских лабораторий и профессора, проводившие опыты, делали это у себя дома. Первая физическая лаборатория была открыта в Кембридже в 1874 г. Ее возглавил Джеймс Клерк Максвелл (см. МАКСВЕЛЛ Джеймс Клерк) , а после его ранней кончины - лорд Рэлей (см. РЭЛЕЙ Джон Уильям) , вышедший в отставку в 1884. И тогда неожиданно для многих Томсон, двадцативосьмилетний математик, только начинавший экспериментальные исследования, был избран кавендишевским профессором и директором лаборатории. Будущее показало, что этот выбор оказался весьма удачным.
Начало экспериментов
Внимание многих физиков в то время привлекали проблемы электричества и магнетизма. Уже появились (хотя еще не вошли во всеобщее употребление) уравнения Максвелла. Однако, Томсон обратился не к той части электродинамики, которая рассматривает напряженности полей, порождаемых «заданными» источниками (т. е. плотности зарядов и токов которых известны), а именно вопросом о физической природе самих этих источников. В теории самого Максвелла этот вопрос почти не обсуждался. Для него электрический ток - все, что порождает магнитное поле (не меняющиеся со временем распределения электрических зарядов создают только электрические поля). Томсона увлек вопрос о носителях зарядов. Он начал с исследования токов в разреженных газах, чем занимались тогда и в ряде других лабораторий. Томсон обнаружил, что проводимость газов увеличивается под воздействием рентгеновских лучей. Важные результаты были получены им при исследовании катодных лучей. т.е. потоков, исходящих из катодов (отрицательных электродов) разрядных трубок. Об их физической природе высказывались тогда различные мнения. Большинство немецких физиков полагало, что это - волны, подобные рентгеновским лучам, тогда как английские видели в них поток частиц. В 1894 Томсону удалось измерить их скорость, которая оказалась в 2000 раз меньше световой, что явилось убедительным доводом в пользу корпускулярной гипотезы. Через год французского экспериментатор Жан Перрен (см. ПЕРРЕН Жан Батист) выяснил знак электрического заряда катодных лучей: попадая на металлический цилиндр, они заряжали его отрицательно. Оставалось определить массу частиц. Эту проблему также с блеском смог разрешить Томсон. Но, прежде чем начать эксперимент, он обратился к теории и рассчитал, как должна двигаться заряженная частица в скрещенных электрическом и магнитном полях. Отклонение такой частицы получалось зависящим от отношения ее заряда к массе. Начался эксперимент (нужно заметить, что Томсон чаще всего, тщательно, во всех деталях продумав эксперимент, предоставлял его проведение помощникам). Его результаты показали, что масса частиц почти в 2000 раз меньше. чем у самых легких ионов - ионов водорода. Что же касается заряда, то у ионов он уже был надежно вычислен на базе опытов по электролизу и оказался положительным. Поскольку атом водорода имеет нулевой заряд, это наводило на мысль, что существуют равные по величине и противоположные по знаку носители дискретных порций электрических зарядов. Те частицы, которые входили в состав катодных лучей, были вскоре названы электронами. Их открытие было одним из важнейших достижений физики конца 19 века, и оно непосредственно связано с именем Томсона, удостоенного за него в 1906 Нобелевской премии.
Модель атома
В том же 1897, когда было зарегистрировано открытие электрона, Томсон обратился к проблеме атома. Придя к убеждению, что, вопреки своему названию, атом не является неделимым, Томсон предложил модель его устройства. По этой модели атом выступал в виде положительно заряженной «капли», внутри которой «плавали» маленькие отрицательно заряженные шарики - электроны. Под действием кулоновских сил они располагались вблизи центра атома в виде цепочек определенных конфигураций (в которых можно было даже усмотреть нечто напоминающее упорядоченность в периодической таблице Менделеева). Если какой-то толчок отклонял электроны от положений равновесия, начинались колебания (связь со спектрами!) и кулоновские силы стремились восстановить исходное равновесие. Хотя опыты, проведенные впоследствии в той же кавендишевской лаборатории преемником Томсона, Э. Резерфордом (см. РЕЗЕРФОРД Эрнест) заставили отказаться от этой модели, она сыграла немалую роль в формировании представлений о строении материи.
От электронов к ядрам
Начав работу в кавендишевской лаборатории с исследования рассеяния рентгеновских лучей, Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц. Важна была также роль Томсона в открытии фотоэффекта (см. ФОТОЭФФЕКТ) и термоэлектронной эмиссии. Очень плодотворной оказалась и идея использования скрещенных полей для измерения отношений зарядов частиц к их массам. На этой идее основана работа масс-спектрографов, которые нашли широкое применение в физике ядра и, в частности, сыграли существенную роль для открытия изотопов (ядер, имеющих различные массы, но одинаковые заряды, чем определяется их химическая неразличимость). Отметим, что предсказание существования изотопов и экспериментальное обнаружение некоторых из них также было сделано Томсоном.
Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков. Правда, он застал появление квантовой теории (становление которой происходило в значительной степени на его глазах и при непосредственном участии его молодых коллег), появление теории относительности и атомной и ядерной физики. Более того, его личное участие в том грандиозном пересмотре всего физического миропонимания, которое принесли первые десятилетия нового века, было несомненным и глубоким. Но он до конца дней сохранял веру в существование механического эфира, несмотря на успехи релятивистской теории, которую он воспринимал лишь как отражение некоторых математических свойств уравнений Максвелла. По отношению к квантовой теории он довольно долго оставался в положении скептического наблюдателя и изменил мнение о ней лишь после того, как его сын Джордж Паджет Томсон на опыте обнаружил волновые свойства у электронов (за что был удостоен в 1937 Нобелевской премии). Томсону принадлежит колоссальная роль в формировании большой международной школы физиков. «Он не был блестящим лектором в прямом понимании этого слова, но его лекции впечатляли кристальной ясностью, с которой он давал объяснения, а также красотой и простотой лекционных демонстраций», - так писал о нем Макс Борн (см. БОРН Макс) , который... сам был его учеником в 1907 и на своем примере почувствовал все обаяние его личности». В 1918 Томсон вышел в Кавендише в отставку, передав лабораторию Резерфорду, и возглавил Тринити-колледж (колледж Святой Троицы).

Энциклопедический словарь . 2009 .

Смотреть что такое "ТОМСОН Джозеф Джон" в других словарях:

В Википедии есть статьи о других людях с такой фамилией, см. Томсон. Джозеф Джон Томсон Joseph John Thomson … Википедия

Томсон (Thomson) Джозеф Джон (18.12.1856, Читем Хилл, близ Манчестера, ‒ 30.8.1940, Кембридж), английский физик, член Лондонского королевского общества (с 1884, в 1915‒20 ‒ президент). Окончил Оуэнс колледж в Манчестере (1876) и Тринити колледж… … Большая советская энциклопедия

- (Thomson, Joseph John) (1856 1940), английский физик, удостоенный Нобелевской премии по физике 1906 за работы, которые привели к открытию электрона. Родился 18 декабря 1856 в пригороде Манчестера Читем Хилле. В возрасте 14 лет поступил в Оуэнс… … Энциклопедия Кольера

ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН - (1856 1940) – английский физик, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г., окончил Кембриджсий университет, профессора экспериментальной физики. Приступив к своим новым обязанностям в лаборатории, Томсон решил, что главным направлением его… … Философия науки и техники: тематический словарь

- … Википедия

Дж. Дж. Томсон Сэр Джозеф Джон Томсон (18 декабря 1856 30 августа 1940) английский физик, открывший электрон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 года. Содержание 1 Биография … Википедия

Томсон (физики) - Джозеф Джон Томсон. ТОМСОН (Thomson), английские физики, отец и сын. Джозеф Джон (1856 1940), один из создателей электронной теории металлов, открывший электрон и измеривший его заряд, основатель научной школы. Нобелевская премия (1906). Джордж… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

Томсон фамилия: Томсон, Александр Иванович русский лингвист. Томсон, Вирджил американский композитор. Томсон, Джеймс шотландский поэт и драматург. англ. James Alexander Thomson) американский биолог,… … Википедия

- (Thomson) (в 1892 за научные заслуги получил титул барона Кельвина, Kelvin) (1824 1907), английский физик, член (1851) и президент (1890 1895) Лондонского королевского общества, иностранный член корреспондент (1877) и иностранный почётный член… … Энциклопедический словарь

Дж.Дж.Томсон и его вклад в развитие физики
XX века

К 150-летию со дня рождения

Сто пятьдесят лет тому назад в Англии, в семье манчестерского букиниста, родился мальчик, который стал одним из виднейших учёных-физиков конца XIX – начала XX вв. Произошло это 18 декабря 1856 г., и ребёнком этим был Джозеф Джон Томсон . Вклад его в развитие физики впечатляет: экспериментальное открытие в 1897 г. электрона, отмеченное Нобелевской премией по физике (1906 г.); одна из первых моделей атома, в состав которой были включены электроны (1903 г.); первые опытные доказательства существования изотопов (1912 г.), создание крупной научной школы физиков, самым ярким представителем которой является Эрнест Резерфорд, – таков далеко не полный перечень того, что сделал в науке за свою долгую жизнь этот человек. Вот почему в год его юбилея представляется важным не только вспомнить о его научном наследии, но и попытаться оценить значение этого наследия для современности. И есть ещё одна причина. В сознании многих людей – как физиков-профессионалов, так и просто тех, кто интересуется историей науки, – имя этого учёного, которого современники кратко называли «Джи-Джи», с одной стороны, зачастую затмевается именами многих других выдающихся физиков минувшего столетия, а с другой стороны, ему порой ошибочно приписывают научные заслуги его старшего современника – Уильяма Томсона (1824–1907), получившего в 1892 г. за выдающиеся научные заслуги титул лорда Кельвина (отметим, что последний не только предложил абсолютную шкалу температур, но и установил в 1853 г. изучаемую ныне в школе формулу Томсона для периода колебаний в колебательном контуре). Это обстоятельство также является причиной, по которой о Дж.Дж.Томсоне следует поговорить особо.

В юности Томсон хотел стать инженером и даже поступил в один из манчестерских колледжей соответствующего профиля. Но вскоре из-за смерти отца он был вынужден по причине недостатка средств прервать обучение инженерному делу. «Однако, изучив математику, физику и химию, ему в 1876 г. удалось получить стипендию в Тринити*-колледже, и именно с Кембриджским университетом связана вся дальнейшая академическая жизнь Томсона» . (*Слово «Trinity » в переводе с англ. означает «Троица», т.е. Тринити-колледж – это «Колледж св. Троицы».)

Университет Томсон окончил в 1880 г., и к этому времени (началу 90-х гг. XIX в.) относятся его первые научные работы. Они посвящены развитию электродинамики Максвелла. Так, решая задачу о движении заряженного шара, Томсон пришёл к выводу об увеличении кажущейся массы заряда за счёт энергии электростатического поля, и этот вывод получил своё дальнейшее развитие в начале ХХ в. в специальной теории относительности, в частности, в работах А.Пуанкаре. В 1884 г., в возрасте 28 лет, Томсон стал директором Кавендишевской лаборатории, сменив на этом посту Дж.У.Рэлея, и директорство продолжалось до 1918 г. А спустя год, в 1885 г., Томсон защитил диссертацию под названием «О некоторых приложениях принципов динамики к физическим явлениям», которую впоследствии Г.Герц называл «замечательным трактатом»: «Автор развивает здесь следствия динамики, которые наряду с ньютоновскими законами движения имеют в своей основе новые, не выраженные чётко предпосылки. Я мог бы примкнуть к этому трактату; фактически же моё собственное исследование уже значительно продвинулось, прежде чем я познакомился с этим трактатом» , – так писал о диссертации Томсона Герц в последний год своей жизни в предисловии к книге «Принципы механики, изложенные в новой связи» (1894).

Открытие электрона

1. Предыстория. В своей статье «Научная деятельность Вениамина Франклина» (1956) академик П.Л.Капица цитирует фрагмент одного из его писем, датированного 1749 г.: «Электрическая материя состоит из частиц крайне малых, т.к. они могут пронизывать обычные вещества, такие плотные, как металл, с такой лёгкостью и свободой, что не испытывают заметного сопротивления». Комментируя эти слова, П.Л.Капица пишет: «В наши дни мы называем эти „крайне малые частицы” электронами. Далее Франклин рассматривал любое тело как губку, насыщенную этими частицами электричества. Электризация тел состоит в том, что тело, имеющее избыток электрических частиц, положительно заряжено; если тело имеет недостаток этих частиц, оно заряжено отрицательно» .

Таким образом, догадки о существовании частиц, являющихся носителями электрического заряда, высказывались ещё в XVIII в. Первую попытку построения электродинамики, основанной на представлении о зернистом строении «электрического флюида» предпринял в 40-е гг. XIX в. немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891), который считал эти частицы невесомыми и именовал их «электрическими массами», по сути, отождествляя термин «масса» с термином «заряд». В электродинамике Максвелла, разрабатывавшейся им в основном в 60-е гг. XIX в. о подобного рода частицах не упоминается: в ней господствует полевой подход, и электричество трактуется как перемещающаяся в проводниках некая несжимаемая жидкость. Попытку привнести идею дискретности электрических зарядов в электродинамику Максвелла предпринял впервые в 1878 г. Г.Лоренц. Так, в 1892 г. в работе «Электромагнитная теория Максвелла и её приложение к движущимся телам» Лоренц писал: «Достаточно будет допустить, что все весомые тела содержат множество маленьких частиц, заряженных положительно или отрицательно, и что все электрические явления вызываются смещением этих частиц. Согласно этому представлению электрический заряд обусловлен избытком частиц одного определённого знака, электрический ток обусловлен потоком этих частичек, а в весомых изоляторах имеет место „диэлектрическое смещение”, если содержащиеся в них наэлектризованные частицы оказываются удалёнными от своих положений равновесия.

Эти гипотезы не содержат ничего нового в отношении электролитов, и они представляют известную аналогию с идеями относительно металлических проводников, бытовавших в старой теории электричества. От атомов электрической жидкости до заряженных корпускул не так уже далеко» .

Особо следует отметить исследования, касавшиеся особенностей электрических явлений в разреженных газах. В 70-е гг. немецкий физик Эуген Гольдштейн (1850–1930) ввёл в физику понятие катодных лучей и предположил, что по своей природе они аналогичны свету с той лишь разницей, что свет испускается телом вокруг себя по всем направлениям, а катодные лучи испускаются лишь перпендикулярно поверхности катода, но оба процесса по природе относятся к волновым. Опыты Гольдштейна в конце 70-х гг. XIX в. в усовершенствованном виде повторил выдающийся английский физик Уильям Крукс (1832–1919). Введя в газоразрядную трубку радиометр, им же сконструированный ещё в 1873 г., Крукс обнаружил его вращение под действием катодных лучей, из чего сделал вывод, что эти лучи переносят энергию и импульс. Поместив в трубку на пути катодных лучей металлический крест, Крукс обнаружил его тень на флуоресцирующем стекле трубки и пришёл к заключению, что катодные лучи распространяются прямолинейно. Он же опытным путём убедился в том, что эти лучи можно отклонять в ту или в другую сторону магнитом. Лучи он именовал неким четвёртым или ультрагазообразным состоянием вещества, либо лучистой материей , имеющей, однако, корпускулярную природу, трактуемую в космическом масштабе: «При изучении этого четвёртого состояния вещества создаётся представление, что мы имеем наконец в своём распоряжении „окончательные” частицы, которые мы можем с полным основанием считать лежащими в основе физики Вселенной» .

Корпускулярной концепции природы катодных лучей противостояла уже упоминавшаяся волновая концепция. Крукс полагал, что катодные лучи есть молекулы остаточного газа, содержащегося в газоразрядной трубке; соприкоснувшись с катодом, они получают от него отрицательный заряд и отталкиваются от катода. Но тогда они должны отклоняться электрическим полем. Опыты же, которые проводил Г.Герц, показали, что электрическим полем они не отклоняются. В 1892 г. Герц опытным путём убедился в том, что катодные лучи могут проходить сквозь тонкие алюминиевые пластинки. Но если это так, то непонятно, каким образом наэлектризованные молекулы могут проходить сквозь металл. С другой стороны, магнитное поле на световые волны не действует, а опыты Крукса показывали, что данное поле действует на катодные лучи. Таким образом, в начале 90-х гг. XIX в. возникла проблема, которая нуждалась в разрешении. Что есть катодные лучи – волны или частицы?

2. Ж.Перрен и Дж.Томсон – решение проблемы природы катодных лучей . На рис. 1 показана схема опыта, который осуществил в 1895 г. Жан Батист Перрен (1870–1942). Внутри разрядной трубки перед катодом N на расстоянии 10 см помещался соединённый с электроскопом металлический цилиндр ABCD (закрытый кожухом EFGH ) с небольшим отверстием напротив катода. При работе трубки в цилиндр проникал пучок катодных лучей, при этом цилиндр всегда получал отрицательный заряд. Если с помощью магнита отклоняли катодные лучи так, чтобы они не попадали внутрь цилиндра, электроскоп не давал никаких показаний. Уже отсюда можно было заключить, что катодные лучи несут отрицательные электрические заряды, а стало быть речь идёт о потоке частиц.

Однако сторонники волновой концепции выдвигали следующее возражение. Допуская, что катод может излучать заряженные частицы, они отрицали, что именно эти частицы являются катодными лучами. При попадании катодных лучей на стенку трубки последняя начинала светиться, но свечение и выброс катодом частицы, по их мнению, могли быть двумя разными явлениями, подобно тому как разными явлениями являются вылет из ствола орудия артиллерийского снаряда и сопровождающая это процесс вспышка.

Требовалось экспериментально доказать, что выброс катодом заряженных частиц и свечение стенки разрядной трубки взаимосвязаны, что речь идёт не о разных физических явлениях, а об одном. Эти доказательства и были представлены Дж.Дж.Томсоном в его опытах 1897 г., являвшихся вариантами опытов Перрена. Цилиндр с отверстием располагался не перед катодом, а сбоку от него, для чего была изменена геометрия самой трубки, рис. 2. В этом случае изначально наблюдалась флуоресценция стеклянной стенки трубки, но она исчезала, когда катодные лучи отклоняли магнитом и «уводили» в отверстие цилиндра, связанного с электроскопом, который регистрировал отрицательный заряд. Так было доказано, что свечение стенки трубки и зарядку цилиндра вызывают одни и те же частицы. А кроме того, Томсон в своих опытах сумел сделать то, что не удалось сделать Герцу: он сумел добиться отклонения катодных лучей электрическим полем (в опытах Герца всё портила проводимость остаточного газа в трубке, возникавшая под действием катодных лучей).

Итак, катодные лучи есть частицы. Какие? Каковы их свойства, их особенности? На эти вопросы Томсон отвечал, описывая их движение законами механики. Например, в электростатическом поле они должны вести себя так же, как ведут себя падающие тела вблизи поверхности Земли. Если, например, положительно заряженная частица оказывается в пространстве между двумя горизонтальными пластинами, верхняя из которых заряжена положительно, а нижняя отрицательно, то эта частица будет отталкиваться от верхней пластины и притягиваться к нижней, т.е. двигаться с ускорением вниз. Если эта частица влетает в пространство между этими пластинами со скоростью, направленной параллельно плоскостям пластин, то она будет приближаться к нижней пластине по параболической траектории, т.е. двигаться так же, как падает на поверхность Земли камень, брошенный со скоростью, направленной параллельно земной поверхности. Если же в пространстве между пластинами существует ещё и магнитное поле, направленное либо за чертёж, либо из чертежа то, во-первых, на исследуемую заряженную частицу будет действовать сила Лоренца (магнитная сила), и по её направлению можно судить о знаке заряда, а во-вторых, электрическая и магнитная силы могут компенсировать друг друга, если окажутся направленными в противоположные стороны. Электрическая сила вычисляется как произведение заряда частицы на напряжённость электрического поля; магнитная сила вычисляется как произведение этого заряда на скорость частицы и на индукцию магнитного поля (пусть угол между векторами скорости и индукции составляет 90°). Тогда получаем eE = e B , т.е. E = B . Отсюда сразу видно, что скорость движения заряженной частицы вычисляется, как отношение напряжённости электрического поля E к индукции магнитного поля B . Однако известно, что сила Лоренца сообщает заряженной частице центростремительное ускорение 2 /r ; тогда и можно найти значение удельного заряда частицы, т.е. отношение заряда к массе частицы:

Из этого результата видно следующее. Удельный заряд исследуемой частицы зависит от индукции магнитного поля и от напряжённости электрического поля (т.е. от разности потенциалов между пластинами). Удельный заряд частицы не зависит от химических свойств остаточного газа в трубке, от геометрической формы трубки, от материала, из которого изготовлены электроды, от скорости катодных лучей (в опытах Томсона 1897 г. эта скорость составляла 0,1с , где с – скорость света в вакууме) и ни от каких иных физических параметров. Катодные лучи не являются ионами остаточного газа, вылетающими с катода, как полагал Крукс, но всё же это частицы. И если их удельный заряд – константа, то речь идёт об одинаковых частицах. Выразив массу этих частиц в граммах, а заряд в СГСМ, как это было принято в те времена, Томсон получил удельный заряд частиц равным 1,7 10 7 ед. СГСМ/г. О высокой точности его эксперимента говорит то, что современное значение удельного заряда электрона равно (1,76 ± 0,002)10 7 ед. СГСМ/г.

Исходя из полученного значения удельного заряда можно было попытаться оценить массу частиц. Ко времени проведения опытов уже было известно значение удельного заряда иона водорода (10 4 ед. СГСМ/г). Термин «электрон» к тому времени также существовал, его ввёл в обиход в 1891 г. ирландский физик и математик Джордж Стоней (1826–1911) для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе, а после исследований Томсона этот термин был перенесён на открытые им частицы. И если предположить, что заряд и масса электрона так или иначе связаны с соответствующими значениями для иона водорода, то были возможны два варианта:

а ) масса электрона равна массе иона водорода, – тогда заряд электрона должен быть больше, чем заряд иона водорода, в 10 3 раз. Однако исследования немецкого физика Филиппа Ленарда показали нереальность подобного предположения. Им было установлено, что средний свободный пробег частиц, образующих катодные лучи, составляет в воздухе 0,5 см, в то время как для иона водорода он меньше, чем 10 –5 см. Значит, масса вновь открытых частиц должна быть малой;

б ) заряд частицы равен заряду иона водорода, но в таком случае масса данной частицы должна быть меньше массы иона водорода в 10 3 раз. На этом варианте остановился Томсон.

Всё же было бы лучше каким-то образом напрямую измерить либо заряд электрона, либо его массу. Решению проблемы помогло следующее обстоятельство. В том же 1897 г., когда Томсон ставил свои опыты по изучению катодных лучей, его ученик Чарльз Вильсон установил, что в воздухе, пересыщенном водяными парами, каждый ион становится центром конденсации пара: ион притягивает к себе капельки пара, и начинается образование капельки воды, которая растёт до тех пор, пока не станет видимой. (В дальнейшем, в 1911 г., сам Вильсон использовал это открытие, создав свой знаменитый прибор – камеру Вильсона). Томсон воспользовался открытием своего ученика так. Допустим, что в ионизированном газе есть некоторое количество ионов, имеющих одинаковый заряд, и эти ионы движутся с известной скоростью . Быстрое расширение газа приводит к его перенасыщению, и каждый ион становится центром конденсации. Сила тока равна произведению числа ионов на заряд каждого иона и на его скорость . Сила тока может быть измерена, скорость движения ионов тоже, и если как-то определить число частиц, то можно найти и заряд одной частицы. Для этого, во-первых, измерялась масса сконденсировавшегося водяного пара, а во-вторых, масса одиночной капельки. Последняя находилась следующим образом. Рассматривалось падение капелек в воздухе. Скорость этого падения под действием силы тяжести равна, по формуле Стокса,

– коэффициент вязкости среды, в которой падает капля, т.е. воздуха. Зная эту скорость, можно найти радиус капельки r и её объём, полагая капельку сферической. Умножив этот объём на плотность воды, находим массу одной капельки. Разделив общую массу сконденсированной жидкости на массу одной капельки, найдём их число, которое равно числу ионов газа, через которое находится заряд одного иона. Как среднее большого числа измерений Томсон получил для искомого заряда значение 6,5 10 –10 ед. СГСМ, что вполне удовлетворительно согласовывалось с уже известным в то время зарядом иона водорода.

Метод, о котором говорилось выше, был усовершенствован Вильсоном в 1899 г. Над отрицательно заряженной капелькой располагалась положительно заряженная пластина, которая своим притяжением уравновешивала действующую на каплю силу тяжести. Из этого условия можно было найти заряд ядра конденсации. Уместен вопрос: является ли в действительности заряд капли зарядом электрона? Разве это не заряд ионизованных молекул, который отнюдь не обязан быть априори равен заряду электрона? Томсон показал, что заряд ионизованной молекулы действительно равен заряду электрона, появляется независимо от способа ионизации вещества и всегда оказывается равным заряду одновалентного иона при электролизе. Подставив же значение этого заряда в выражение для удельного заряда электрона, можно найти массу последнего. Эта масса оказывается меньше массы иона водорода примерно в 1800 раз. В настоящее время приняты следующие значения фундаментальных постоянных: заряд электрона равен 1,601 10 –19 Кл; масса электрона 9,08 10 –28 г, что меньше массы атома водорода примерно в 1840 раз.

В связи с исследованиями Томсоном свойств и природы катодных лучей хотелось бы также упомянуть о его вкладе в исследование природы фотоэффекта. В механизме этого явления в то время ясности не было – ни в работах А.Г.Столетова (умершего в мае 1896 г., т.е. до открытия электрона), ни в работах европейских физиков – итальянца А.Риги, немца В.Гальвакса, – а тем более в исследованиях Г.Герца, который умер ещё в 1894 г. Томсон в 1899 г., исследуя фотоэффект по экспериментальной методике, схожей с методикой исследования свойств катодных лучей, установил следующее. Если полагать, что электрический ток, возникающий при фотоэффекте, есть поток отрицательно заряженных частиц, то можно теоретически рассчитать движение частицы, образующей этот ток, одновременно действуя на неё электрическим и магнитным полями. Эксперименты Томсона подтвердили: ток между двумя противоположно заряженными пластинами при освещении катода ультрафиолетовыми лучами есть поток отрицательно заряженных частиц. Измерения заряда этих частиц, проведённые по той же методике, по которой ранее Томсон измерял заряд ионов, дали среднее значение заряда, по порядку величины близкое к значению заряда частиц, образующих катодные лучи. Отсюда Томсон заключил, что в обоих случаях следует говорить о частицах одной и той же природы, т.е. об электронах.

Атом Томсона. Проблема «увязки» открытых электронов со строением вещества была поставлена Томсоном уже в его работе по определению удельного заряда электронов. Первая модель атома, предложенная Томсоном, базировалась на опытах А.Майера (США) с плавающими магнитами, которые проводились ещё в конце 70-х гг. XIX в. Эти опыты заключались в следующем. В сосуде с водой плавали пробки, в которые были вставлены слегка выглядывавшие из них намагниченные иглы. Полярность видневшихся концов игл была на всех пробках одной и той же. Над этими пробками на высоте около 60 см располагался противоположным полюсом цилиндрический магнит, и иглы притягивались к магниту, одновременно отталкиваясь друг от друга. в итоге эти пробки самопроизвольно образовывали различные равновесные геометрические конфигурации. Если пробок было 3 или 4, то они располагались в вершинах правильного многоугольника. Если их было 6, то 5 пробок плавали в вершинах многоугольника, а шестая оказывалась в центре. Если же их было, к примеру, 29, то одна пробка опять-таки находилась в центре фигуры, а остальные располагались вокруг неё кольцами: в ближнем к центру кольце плавали 6, в следующих кольцах по мере удаления от центра соответственно 10 и 12. Эту механическую конструкцию Томсон перенёс на строение атома, видя в ней возможность объяснения закономерностей, заложенных в Периодической системе Д.И.Менделеева (имеется в виду послойное распределение электронов в атоме). Однако в данном случае оставался открытым вопрос о конкретном числе электронов в атоме. И если предположить, что электронов, например, несколько сотен (особенно с учётом того, что масса электрона ничтожна по сравнению с массой иона водорода), то изучение поведения электронов в такой конструкции практически невозможно. Поэтому уже в 1899 г. Томсон видоизменил свою модель, предположив, что нейтральный атом содержит большое число электронов, отрицательный заряд которых компенсируется «чем-то, что делает пространство, в котором рассеяны электроны, способным действовать так, как если бы оно имело положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов» .

Спустя несколько лет в журнале «Philosophical Magazine » (№ 2, 1902 г.) появилась работа другого Томсона – Уильяма, известного как лорд Кельвин, – в которой рассматривалось взаимодействие электрона с атомом. Кельвин утверждал, что внешний электрон притягивается к атому с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния от центра электрона до центра атома; электрон же, входящий в состав атома, притягивается к последнему с силой, прямо пропорциональной расстоянию от центра электрона до центра атома. Отсюда видно, в частности, что Кельвин рассматривает электроны не только как самостоятельные частицы, но и как составную часть атома. Этот вывод «равносилен допущению о равномерном распределении положительного электричества в пространстве, занимаемом атомом обычной материи. Из этого следовало, что существует два рода электричества: отрицательное, зерновидное, и положительное, в виде непрерывного облака, как обычно представляли себе „флюиды” и, в частности, эфир» . В целом можно сказать, что, по Кельвину, в атоме наличествуют равномерное сферическое распределение положительного электрического заряда и определённое количество электронов. Если речь идёт об одноэлектронном атоме, то электрон должен находиться в центре атома, будучи окружённым облаком положительного заряда. Если же в атоме находятся два или больше электронов, то встаёт вопрос об устойчивости такого атома. Кельвин высказал допущение, что, по-видимому, электроны вращаются вокруг центра атома, будучи расположенными на сферических поверхностях, концентричных границе атома, и эти поверхности также находятся внутри атома. Но в этом случае возникают проблемы: при движении заряженной частицы должно возникнуть магнитное поле, а при движении с ускорением (а вращающийся электрон неизбежно имеет центростремительное ускорение) должно иметь место электромагнитное излучение. Исследованием этих вопросов и занимался Томсон, оставаясь в течение примерно пятнадцати лет сторонником идей Кельвина.

Уже в 1903 г. Томсон установил, что вращающиеся электроны должны порождать эллиптически поляризованные световые волны. Что же касается магнитного поля вращающихся зарядов, то, как показывает теория, при вращении электронов под действием силы, пропорциональной расстоянию от заряда до центра вращения, объяснить магнитные свойства вещества можно лишь при условии рассеяния энергии. На вопрос о том, существует ли реально такое рассеяние, Томсон внятного ответа не дал (по-видимому, понимая, что наличие такого рассеяния породит проблему устойчивости конструкции атома).

В 1904 г. Томсон рассмотрел проблему механической устойчивости атомной структуры. Несмотря на то, что ныне такой подход воспринимается как анахронизм (поведение частиц, образующих атом, следует рассматривать с позиций не классической, а квантовой механики, о которой в те времена не было известно решительно ничего), на результатах, полученных Томсоном, всё же имеет смысл остановиться.

Во-первых, Томсон установил, что электроны в атоме должны быстро вращаться и скорость этого вращения не может быть меньше некоторой предельной. Во-вторых, если число электронов в атоме больше восьми, то электроны должны располагаться несколькими кольцами, и число электронов в каждом кольце должно расти с ростом радиуса кольца. В-третьих, для радиоактивных атомов скорость электронов вследствие радиоактивного излучения должна постепенно убывать, и на некотором пределе убывания должны происходить «взрывы», приводящие к образованию новой атомной структуры.

Ныне общепризнана появившаяся в 1910 г. планетарная модель Резерфорда, впоследствии усовершенствованная с квантовых позиций Н.Бором. Тем не менее модель Томсона ценна в плане постановки: 1) проблемы связи числа электронов и их распределения с массой атома; 2) проблемы природы и распределения в атоме положительного заряда, компенсирующего общий отрицательный электронный заряд; 3) проблемы распределения массы атома. Эти проблемы решались в процессе последующего развития физики ХХ в., и их решение в итоге привело к современным представлениям о строении атома.

Экспериментальное доказательство существования изотопов. Сама мысль о том, что атомы одного и того же химического элемента могут иметь разные атомные массы, возникла задолго до того, как Томсон начал заниматься «изотопной проблемой». Эту мысль в XIX в. высказывал основоположник органической химии А.М.Бутлеров (1882) и несколько позже У.Крукс (1886). Первые радиоактивные изотопы получил в 1906 г. американский химик и одновременно физик Б.Болтвуд (1870–1927) – два изотопа тория с разными периодами полураспада. Сам термин «изотоп» несколько позже ввёл Ф.Содди (1877–1956) после того, как им были сформулированы правила смещения для радиоактивного распада. Что же касается Томсона, то он в 1912 г. экспериментально изучал свойства и особенности так называемых каналовых лучей , и о том, что это такое, следует сказать несколько слов.

Речь идёт о потоке положительных ионов, движущихся в разреженном газе под действием электрического поля. При соударении электронов с газовыми молекулами у катода в области тлеющего разряда и катодного падения потенциала молекулы расщепляются на электроны и положительные ионы. Эти ионы, разгоняясь электрическим полем, приходят к катоду с большой скоростью. Если в катоде имеются отверстия по направлению движения ионов, либо если сам катод имеет форму сетки, то часть ионов, пройдя по этим каналам, окажется в закатодном пространстве. Изучением поведения таких ионов начал заниматься ещё в 80-е гг. XIX в. ранее упоминавшийся Э.Гольдштейн. Томсон же в 1912 г. изучал воздействие на каналовые лучи (конкретно для ионов неона) одновременно электрического и магнитного полей по той методике, о которой уже говорилось (имеется в виду томсоновский «метод парабол»). Пучок ионов неона в его опытах разделялся на два параболических потока: яркий, соответствовавший атомной массе 20 и более слабый, соответствовавший атомной массе 22. Из этого Томсон сделал вывод о том, что содержащийся в атмосфере Земли неон является смесью двух разных газов. Ф.Содди оценил результаты исследований Томсона следующим образом: «Это открытие представляет собой самое неожиданное приложение того, что было найдено для одного конца Периодической системы, к элементу другого конца системы; оно подтверждает предположение о том, что структура материи вообще существенно сложнее, чем это проявляется в одном лишь периодическом законе» . Результат имел огромное значение не только для атомной физики, но и для последующего развития физики экспериментальной, ибо указывал способы измерения масс различных изотопов.

В 1919 г. ученик и ассистент Томсона Фрэнсис Уильям Астон (1877–1945) построил первый масс-спектрограф, с помощью которого опытным путём доказал наличие изотопов у хлора и ртути. В масс-спектрографе применяется именно томсоновский метод отклонения заряженных частиц под действием двух полей, электрического и магнитного, однако в приборе Астона применялось фотографирование разделённых потоков ионов с разными атомными массами, а кроме того, использовалось отклонение заряженной частицы в электрическом и магнитном полях – в одной и той же плоскости, но в противоположных направлениях. Физика же работы масс-спектрографа в главном состоит в следующем. «Ионы исследуемого вещества, проходя вначале электрическое, а затем магнитное поле, попадают на фотопластинку и оставляют на ней след. Отклонение ионов зависит от отношения e /m , одинакового для всех ионов (или, лучше сказать, от ne /m , потому что ион может нести более одного элементарного заряда). Поэтому все ионы одинаковой массы концентрируются в одной и той же точке фотопластинки, а ионы другой массы – в других точках, так что по точке попадания иона на пластинку можно определить его массу» .

В заключение – несколько слов о созданной Томсоном научной школе. Его учениками являются такие крупнейшие физики ХХ в., как П.Ланжевен, Э.Резерфорд, Ф.Астон, Ч.Вильсон. Трое последних в разные годы, как и сам Томсон, были отмечены Нобелевскими премиями по физике. Особо отметим его сына. Отец-Томсон экспериментально доказал сам факт существования электрона, а сын, Джордж Паджет Томсон был удостоен в 1937 г. Нобелевской премии за экспериментальное доказательство волновой природы электронов (1927; в том же году независимо от Томсона-младшего аналогичные исследования провёл К.Дэвиссон совместно со своим сотрудником Л.Джермером. Оба были физиками из США; Дэвиссон был также удостоен Нобелевской премии). Вот как оценивал эти исследования в 1928 г. Эрвин Шрёдингер: «Некоторые исследователи (Дэвиссон и Джермер и молодой Дж.П.Томсон) приступили к выполнению опыта, за который ещё несколько лет назад их бы поместили в психиатрическую больницу для наблюдения за их душевным состоянием. Но они добились полного успеха» .

После 1912 г., отмеченного экспериментальным доказательством существования изотопов, Томсон прожил ещё двадцать восемь лет. В 1918 г. он покинул пост директора Кавендишевской лаборатории (его место занял Резерфорд) и далее до конца своих дней возглавлял тот самый Тринити-колледж, откуда начинался когда-то его путь в науку. Умер Джозеф Джон Томсон на 84-м году жизни 30 августа 1940 г. и был похоронен в Вест-минстерском аббатстве – там же, где обрели вечный покой Исаак Ньютон, Эрнест Резерфорд, а из деятелей английской литературы – Чарльз Диккенс.

Литература

1. Жизнь науки. Под ред. Капицы С.П. – М.: Наука, 1973.

2. Капица П.Л. Эксперимент. Теория. Практика. – М.: Наука, 1981.

3. Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала XIX до середины XX вв. – М.: Наука, 1979.

4. Льоцци М. История физики. – М.: Мир, 1970.

100 знаменитых ученых Скляренко Валентина Марковна

ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН (1856 г. – 1940 г.)

ТОМСОН ДЖОЗЕФ ДЖОН

(1856 г. – 1940 г.)

Знаменитый английский физик Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 года в Читэм-Хилл, пригороде Манчестера (Англия) в семье Джозефа Джеймса Томсона и Эммы Томсон, урожденной Свинделлс. Его отец был известным книготорговцем и издателем.

Летние каникулы Джозеф Джон вместе со своим братом Фредериком Верноном, который был младше его на два года, проводили вместе с матерью.

В 1870 году, когда Джозефу Джону исполнилось 14 лет, отец отправил мальчика учиться в Оуэнс-колледж (позже – Манчестерский университет), где тот должен был получить специальность инженера. Спустя два года отец умер, но благодаря стипендии и финансовой поддержке матери молодой Томсон продолжил обучение в Оуэнс-колледже.

Преподаватели колледжа, Осборн Рейнольдс и Бальфур Стюарт, привили способному ученику интерес к физике. В отличие от многих других колледжей Великобритании, в Оуэнс-колледже читали курс экспериментальной физики, который очень нравился Томсону.

В возрасте 16 лет Джозеф Джон получил приз по математике, а в следующем году был награжден призом по технике.

Окончив в 1876 году Оуэнс-колледж и получив звание инженера, Томсон поступил по рекомендации своих преподавателей в Тринити-колледж Кембриджского университета, один из наиболее престижных колледжей страны. Здесь он изучал математику и ее приложения в области теоретической физики. Через некоторое время Томсон стал стипендиатом Кембриджского университета, а позже ему была назначена именная стипендия.

В 1880 году по результатам кембриджского экзамена по математике Томсон стал вторым ранглером (первым был знаменитый Джозеф Лармор). За блестящие результаты в учебе Джозеф Джон был удостоен премии Смита. В том же году молодой ученый получил степень бакалавра по математике и вошел в ученый совет Тринити-колледжа. С этого времени и до конца жизни Томсон был душой и движущей силой колледжа. В течение двух лет он работал в нем по 18 часов в неделю. В 1883 году Джозеф Джон стал лектором, а позже (в 1918 году) и мастером (главой) колледжа.

В 1871 году в Кембриджском университете была открыта первая физическая исследовательская лаборатория. До этого времени университеты не имели своих исследовательских лабораторий, и ученые в большинстве случаев работали и совершали открытия у себя дома. Первым директором лаборатории стал великий Джеймс Клерк Максвелл, бывший инициатором ее открытия. После его ранней смерти директором был избран другой великий физик – лорд Рэлей.

В лаборатории было сделано немало великих открытий, позже она получила название Кавендишская лаборатория (по имени Генри Кавендиша) и стала мировым центром экспериментальной физики.

В 1884 году знаменитый Джон Уильям Стретт, лорд Рэлей (тоже будущий нобелевский лауреат), ушел в отставку, решив продолжить научные исследования в собственной лаборатории.

Избрание на освободившийся пост профессора экспериментальной физики и директора Кавендишской лаборатории Джозефа Джона Томсона стало неожиданностью для многих профессоров и научных деятелей. В то время ему было всего двадцать семь лет, по специальности он был математиком, в экспериментальной физике не совершил никаких заметных открытий. Молодой ученый всего лишь разрабатывал математические модели, которые, по его мнению, должны были выявить структуру атома, и продолжал исследования Максвелла в области электромагнетизма. Через некоторое время стало ясно, что выбор на эту должность Томсона оказался очень удачным, и Джозеф Джон стал одним из великих директоров Кавендишской лаборатории.

Наиболее популярными в то время исследованиями физиков были проблемы электричества и магнетизма. В своих первых лабораторных работах Джозеф Джон решил исследовать электрическую проводимость газов и физическую природу источников, порождающих напряженности полей. Он приступил к исследованию токов в разреженных газах.

Еще в 1853 году талантливый французский физик А. Массон провел эксперимент, пропуская электрические разряды через стеклянную трубку, из которой был выкачан воздух. Впоследствии английский физик Уильям Крукс с помощью такого же устройства провел множество различных опытов. В одном из них Крукс поместил в противоположные концы трубки электроды, а между ними – вертушку с лопастями. Под действием лучей, которые распространялись отрицательно заряженным электродом – катодом, – вертушка вращалась, что давало возможность предположить, что катодные лучи являются на самом деле потоком микроскопических частиц с маленькой массой.

Крукс сделал и другие любопытные наблюдения. Если на внутреннюю поверхность трубки наносили вещества, а газ был достаточно разреженным, то под действием катодных лучей стеклянные стенки трубки возле анода флуоресцировали зеленым светом.

Мнения ученых о природе катодных лучей разошлись. Английские физики считали, что катодные лучи являют собой поток заряженных частиц, но многие континентальные физики, в частности, немецкие, исходя из опытов Генриха Герца, предполагали, что эти лучи являются волнами (колебаниями) в неизвестной невесомой среде.

Интерес к исследованиям катодных лучей подогрело открытие Вильгельмом Рентгеном в 1895 году рентгеновских лучей. Томсон стал одним из самых активных исследователей в этой области физики.

Работая вместе со своим гениальным ассистентом Эрнестом Резерфордом, он обнаружил, что под воздействием рентгеновских лучей увеличивалась электропроводность газов. Ученые опубликовали знаменитую работу, в которой сделали вывод, что возникающая проводимость очень напоминает ионную проводимость в растворе при электролизе.

В 1897 году Томсон сконструировал трубку, похожую на трубку Крукса. С ее помощью он измерял отклонения катодных лучей в электрическом поле. В ней ученый использовал две пластинки, между которыми проходили катодные лучи. Напряжение, подаваемое на пластинки, можно было увеличивать или уменьшать, и чем выше было при этом напряжение, тем сильнее должно было быть отклонение катодных лучей от прямолинейной траектории.

В результате опыта Томсон выявил отклонение катодных лучей под действием электрического поля. Впоследствии знаменитый ученый сделал вывод о том, что направление отклонения указывает на то, что составляющие частицы катодных лучей несут отрицательный электрический заряд.

Предположение Томсона подтвердил замечательный французский физик-экспериментатор Жан Перрен. Он определил знак электрического заряда составляющих частиц катодных лучей, направляя их на металлический цилиндр. В результате опыта цилиндр оказался заряженным отрицательно.

Также Томсон измерил скорость катодных лучей, которая оказалась меньше скорости света в 2000 раз, что давало еще одно доказательство в пользу корпускулярной природы лучей. Впоследствии с помощью подобного эксперимента знаменитому ученому удалось установить массу и заряд частиц, составлявших катодные лучи.

Джозеф Джон провел теоретические расчеты, которые должны были описать движение заряженной частицы под воздействием электрического и магнитного полей. По мнению Томсона, отклонение частицы от прямолинейной траектории зависело от отношения ее заряда к массе.

Вслед за этим ученый поставил эксперимент, в котором отклонял катодные лучи посредством электрического поля. Затем с помощью магнитного поля эти лучи отклоняли в противоположную сторону, так чтобы они вернулись в первоначальную позицию. Таким образом можно было определить скорость и отношение заряда частицы к ее массе.

Эксперименты блестяще подтвердили теоретические умозаключения Томсона. В результате опыта было установлено, что отношение заряда частицы к ее массе почти в 1000 раз меньше, чем у ионов водорода (на сегодняшний день известно, что истинное отношение приблизительно 1837:1). Томсон предположил, что заряд частиц равен по модулю заряду иона водорода, который к тому времени был точно вычислен с помощью экспериментов в области электролиза. Поскольку атом водорода имел нулевой заряд, то возникало предположение, что заряд открытых частиц равен по значению и противоположен по знаку заряду иона водорода.

Вскоре описанные Томсоном отрицательно заряженные частицы были названы «электронами». Открытие Джозефа Джона Томсона стало одним из важнейших открытий в физике XIX века.

Позже с помощью прибора, изобретенного Ч. Вильсоном, удалось получить значение заряда электрона. Оказалось, что оно действительно соответствует значению заряда иона водорода. Предположение Томсона подтвердилось.

В 1906 году Джозеф Джон Томсон был удостоен Нобелевской премии по физике «в знак признания его выдающихся заслуг в области теоретических и экспериментальных исследований проводимости электричества в газах».

В своей презентационной речи, произнесенной 10 декабря 1906 года, профессор Дж. П. Класон, президент Шведской королевской академии наук, поблагодарил ученого за его работы, которые позволили современным физикам предпринять исследования в новых направлениях. Также Класон заявил, что Томсон по праву занимает место в одном ряду с такими гениями науки, как Фарадей и Максвелл.

В своей нобелевской лекции «Носители отрицательного заряда», прочитанной 11 декабря 1906 года, ученый детально проанализировал свое открытие электронов.

После получения Нобелевской премии Томсон продолжил свои научные исследования. Кроме открытия электрона он совершил и много других важных для науки открытий.

В своих ранних работах английский ученый исследовал электромагнитное поле движущегося заряженного шара, теорию вихрей, провел прецизионное измерение отношения абсолютных электрических единиц к электромагнитным единицам.

В своих работах «Электричество и материя», «Материя и эфир», «Структура света», «Фарадеевы силовые трубки и уравнения Максвелла» Томсон последовательно развивал вихревую теорию материи и взаимодействий.

Известная работа ученого «Трактат о движении вихревых колец» была удостоена приза Адамса в 1884 году. Исходя из вихревой теории эфира, Томсон вывел формулу Е = mc 2 задолго до Эйнштейна.

В 1886 году была опубликована его знаменитая работа «Применение динамики в физике и химии», а в 1892 году ученый отдал в печать свою новую работу «Заметки о недавних исследованиях электричества и магнетизма». Эту работу часто называют «третьим томом Максвелла». Совместно с профессором Пойнтингом Томсон написал четырехтомный учебник по физике, а в 1895 году издал работу «Элементы математической теории электричества и магнетизма», которая выдержала несколько переизданий и переводов на различные языки мира.

После открытия в 1897 году электрона Томсон предложил свою модель атома. Выдающийся ученый предположил, что атом состоит из положительно заряженной размытой сферы, в которую вкраплены маленькие отрицательно заряженные частицы – электроны. Под действием кулоновских сил электроны располагаются вблизи центра атома, а если в результате какого-либо действия частицы отклоняются от положения равновесия, то кулоновские силы восстанавливают их исходное состояние. Модель Томсона получила в среде ученых шутливое прозвище «сливовый пудинг», или «пудинговая модель».

Однако в 1910 году гениальный физик Эрнест Резерфорд, бывший ассистент Томсона, вместе со своими учениками Гейгером и Марсденом провели ряд экспериментов, в результате которых показали ошибочность модели Томсона. Резерфорд предложил новую, так называемую «планетарную» модель атома. По Резерфорду, в центре атома, подобно Солнцу, размещается положительно заряженное ядро, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. На электроны действует центробежная сила, которую уравновешивает электростатическое притяжение электрона к ядру. Предложенная Резерфордом модель заставила Томсона признать ошибочность своей модели атома. Позже другой гениальный физик Нильс Бор усовершенствовал модель Резерфорда, предположив, что электроны размещаются вокруг ядра на строго определенных орбитах.

После серии успешных работ, приведших к открытию электронов и их свойств, в 1899 году Томсон обнаружил электроны в фототоке, а также наблюдал эффект термоэлектронной эмиссии. Кроме того, ученый объяснил непрерывный спектр рентгеновского излучения.

Благодаря своим последующим работам Джозеф Джон Томсон стал одним из основоположников электронной теории металлов. В 1900 году он вывел формулу для эффективного сечения рассеяния электромагнитных волн свободными электронами (формула Томсона). Через год после предложения модели атома, в 1904 году, Томсон предположил, что электроны в атоме составляют группы различных конфигураций. Это явление и обусловливает периодичность химических элементов.

С 1905 года Томсон интересовался «канальными лучами» – быстро движущимися частицами, образующимися за катодом газоразрядной трубки. Ученый открыл многие их характеристики, а также выделил типы атомов и атомных групп в этих лучах.

На идеях Томсона базируется современная масс-спектрометрия.

В 1911 году английский ученый разработал метод парабол для измерения отношения массы частицы к ее заряду. И уже в следующем году, используя этот метод, он обнаружил первые изотопы. Ученый получил атомы неона с массами 20 и 22. Открытие Томсона сыграло важную роль в понимании природы радиоактивных элементов (таких как уран, радий).

В 1896 году Томсон посетил США и прочитал в Принстоне курс из четырех лекций, в которых подвел итог своих исследований. (Именно по возвращению из Америки он совершил знаменитое открытие электронов, о котором поведал всему миру на своей вечерней лекции в Королевском институте 30 апреля 1897 года.)

В 1904 году Томсон вновь поехал в Америку, где прочел шесть лекций по электричеству и материи в Йельском университете.

За свою долгую научную жизнь ученый написал множество учебников, монографий и работ, которые стали классическими еще при его жизни.

Во время Первой мировой войны нобелевский лауреат работал в Управлении исследований и изобретений и являлся советником правительства.

В 1918 году Томсон ушел в отставку, оставив пост профессора кафедры экспериментальной физики Кембриджского университета и по совместительству – директора Кавендишской лаборатории, в которой совершил почти все свои гениальные открытия. В этом же году он ушел в отставку из Королевского института в Лондоне, в котором трудился с 1905 года.

В университете и лаборатории ученый проработал около 35 лет. За это время он совершил множество важных открытий, а Кавендишская лаборатория стала одним из огромнейших научно-исследовательских центров, в котором мечтали работать лучшие физики мира.

В следующем году Томсона сменил на этих постах его ассистент Эрнест Резерфорд, а сам нобелевский лауреат стал главой Тринити-колледжа Кембриджского университета.

С 1884 года ученый был членом Лондонского королевского общества, ас 1916 по 1920 год – его президентом. В 1909 году ученый стал президентом Британской ассоциации ученых.

В 1890 году, в возрасте 34 лет знаменитый ученый женился на Розе Элизабет Паджет, дочери сэра Джорджа Паджета, профессора физики Кембриджского университета. Супруги имели двух детей – дочь Джоанну и сына Джорджа.

Сын ученого, Джордж Паджет Томсон, впоследствии стал известным физиком, профессором Лондонского университета. В 1937 году он также стал лауреатом Нобелевской премии по физике, которую он получил за экспериментальное открытие дифракции электронов на кристаллах.

Джозеф Джон Томпсон был убежденным сторонником классической физики и придерживался теории эфира. Квантовую теорию, как и теорию относительности, он воспринял холодно и изменил свое мнение лишь после того, как его сын опытным путем обнаружил волновые свойства у электронов.

Кроме того что Томсон был величайшим физиком-классиком, совершившим революционные научные открытия, он стал основателем международной научной школы физиков. Будучи прекрасным руководителем и квалифицированным преподавателем, Томсон воспитал и раскрыл таланты многих начинающих физиков. Под его началом работали такие гении науки, как Э. Резерфорд, Ч. Вильсон, Ф. У. Астон, У. Ричардсон, П. Ланжевен. Из тех ассистентов, что работали под его руководством в Кавендишской лаборатории, семеро получили Нобелевские премии.

Знаменитый ученый Макс Борн (в будущем также нобелевский лауреат) писал, что на своем примере почувствовал обаяние личности Джозефа Джона Томсона.

Кроме Нобелевской премии Томсон был награжден различными призами и наградами, среди которых можно выделить награды Лондонского королевского общества – Королевскую медаль (1894), медаль Хьюза (1902) и медаль Копли (1914), а также медаль Ходжкинса Смитсоновского университета в Вашингтоне (1902), медаль Б. Франклина (1923), медаль Мескарта (1927), медаль Дальтона (1931), медаль М. Фарадея (1938).

Томсон был членом различных академий и научных обществ. Его удостоили почетного докторского звания университеты Оксфорда, Кембриджа, Дублина, Лондона, Геттингена, Осло, Парижа, Эдинбурга, Принстона, Афин, Кракова и др.

С 1913 года Томсон состоял иностранным почетным членом-корреспондентом Санкт-Петербургской академии наук, а с 1925 года – иностранным почетным членом АН СССР.

В 1908 году знаменитый ученый был возведен в ранг рыцаря, а в 1912 году сэр Джозеф Джон Томсон был награжден орденом «За заслуги».

В октябре 1934 года Институтом электротехники был снят фильм, в котором Джозеф Джон Томсон рассказывает о своем знаменитом открытии электрона.

В свободное от работы время Джозеф Джон любил работать в саду, совершать дальние прогулки на природу.

Умер Джон Джозеф Томсон 30 августа 1940 года в возрасте 83 лет и был похоронен 4 сентября в Вестминстерском аббатстве в Лондоне, неподалеку от Исаака Ньютона.