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.
Рождение электрона
…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.