Ровно 125 лет назад, 30 апреля 1897 года, директор Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Джозеф Джон Томсон впервые сообщил о существовании заряженных субатомных частиц неизвестной природы, которые вскоре были названы электронами. Хотя это достижение традиционно принято приписывать одному лишь Томсону, на самом деле оно стало результатом многолетних исследований разных ученых из разных стран. Юбилей — хороший повод попытаться восстановить и рассказать реальную историю открытия электрона.
30 апреля 1897 года на пятничном вечернем заседании лондонского Королевского института Великобритании (Royal Institution of Great Britain) был заслушан доклад Джозефа Джона Томсона. Главной темой сообщения 40-летнего Кавендишского профессора экспериментальной физики Кембриджского университета (и, в силу своей должности, директора общеуниверситетской физической лаборатории имени Кавендиша) было обсуждение его недавних экспериментов с высоковольтными газовыми разрядами при низких давлениях. Полученные результаты позволили предположить существование очень легких частиц с отрицательным зарядом, равным по абсолютной величине положительному заряду иона водорода. Этот доклад (J. J. Thomson, 1897. Cathode Rays) был сразу опубликован в двух весьма престижных британских изданиях, журналах The Electrician и Proceedings of the Royal Institution. Спустя полгода, в октябре, автор представил более полную версию своих результатов (J. J. Thomson, 1897. On Cathode Rays). Затем последовали еще две статьи (J. J. Thomson, 1898. On the Charge Carried by the Ions Produced by Röntgen Rays и J. J. Thomson, 1899. On the Masses of the Ions in Gases on Low Pressure), которые окончательно оформили сделанное открытие. У Томсона были и другие публикации в те же 1897–99 годы, но их можно оставить за кадром.
Томсон предложил для своих гипотетических частиц нейтральное название — корпускулы. Более того, он не изменял ему вплоть до начала второго десятилетия XX века (в том числе, и в своей Нобелевской лекции, прочитанной в 1906 году в Стокгольме). Однако в лингвистическом багаже тогдашней физики этот термин не задержался — современники Томсона уже через два-три года стали именовать новооткрытые частицы электронами. Вряд ли стоит напоминать, что очень скоро это название стало общепринятым.
В столь коротком изложении история открытия электрона выглядит как вполне традиционное (если угодно, парадигмальное) описание из учебника. Замечательный исследователь собственными трудами обнаружил ранее неизвестное явление, детально изучил его свойства, обдумал и понял физический смысл. Он поделился своими выводами с собратьями по цеху и быстро получил их признание, высшим символом которого стало присуждение самой престижной в мире награды за научные достижения. Однако же реальная история, как это всегда бывает, гораздо сложнее и интересней. Открытие электрона было длительным процессом, в котором отметились многие замечательные ученые как из Британии, так и из континентальной Европы. Сейчас, по случаю 125-летия действительно основополагающего доклада Томсона, не грех вспомнить, как же всё было в действительности. Причем, каюсь, вспомнить только в самых общих чертах: детальная история открытия электрона — и тем самым рождения физики элементарных частиц — не укладывается и в многостраничную монографию. И все же — благословясь, приступим.
Многочисленные шаги к открытию электрона нельзя рассматривать в отрыве от великой революции, которая буквально на глазах Дж. Дж. Томсона и его коллег разворачивалась в физике на рубеже XIX и XX столетий. Эта революция началась с трех великих и почти одновременных экспериментальных прорывов. В декабре 1895 года профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген обнаружил жесткое электромагнитное излучение, практически мгновенно получившее его имя. В феврале 1896 года руководитель кафедры физики в парижском Национальном музее естественной истории (а по совместительству главный инженер французского Управления мостов и дорог и профессор Политехнической школы) Антуан Анри Беккерель случайно выявил проникающее излучение, непрерывно испускаемое солями урана — и тем самым открыл радиоактивность. Как уже говорилось, в 1897 году Джозеф Джон Томсон сообщил об открытии электрона.
К этому процессу вскоре подключились и физики-теоретики. В 1900 году Макс Планк объяснил свойства чернотельного излучения на основе идеи квантования энергии. В 1905 году Альберт Эйнштейн создал специальную теорию относительности, объяснил броуновское движение на основе молекулярной гипотезы и построил квантовую теорию фотоэффекта. В следующем десятилетии в физику вошли планетарная модель атома, предложенная Эрнестом Резерфордом (1911 год), квантовая теория простейшего одноэлектронного атома (Нильс Бор, 1913 год), эйнштейновская общая теория относительности (1915 год). Затем последовали концепция спина (1924–25 годы), создание нерелятивистской, а вскоре и релятивистской квантовой механики (1925–1928), разработка в этом же десятилетии двух версий квантовой статистики, описывающих частицы с целым спином (бозоны) и полуцелым (фермионы), и открытие нашим замечательным соотечественником Георием Антоновичем Гамовым эффекта квантового туннелирования (1928). На начало четвертого десятилетия пришлись теоретическое предсказание нейтрино (1930), и открытия в 1932 году первой античастицы, позитрона, и незаряженного «кирпичика» атомных ядер, нейтрона. Дальше фундаментальная физика развивалась уже не столь стремительно, продолжая и осваивая итоги революции.
Но путь к электрону начался много раньше. Сам Томсон пришел к своим выводам на базе экспериментов с так называемыми катодными лучами, которые к тому времени были известны без малого 40 лет. Однако в 1879 замечательный английский физик и химик Уильям Крукс, который много занимался газоразрядными процессами, в лекции в Шеффилде во время сессии Британской ассоциации в поддержку науки предположил, что катодные лучи состоят не из атомов, а из каких-то куда более мелких и легких фрагментов вещества, в его терминологии, «ультра-атомных корпускул». Через 5 лет переехавший в Англию из Германии профессор прикладной математики манчестерского колледжа Оуэнса Артур Шустер не только допустил уникальную природу частиц катодных лучей, но и пришел к заключению, что все они переносят одинаковый отрицательный электрический заряд. Позднее Шустер, уже будучи полным профессором физики манчестерского Университета Виктории, измерил отклонение катодных лучей в поперечном к их движению магнитном поле и на этой основе оценил (однако еще весьма приблизительно) верхний и нижний пределы отношения их массы к заряду. Правда, Шустер, в отличие от Крукса, считал эти частицы заряженными газовыми молекулами, а не объектами субатомной природы.
Эту ошибку в 1892 году исправил немецко-австрийский физик-экспериментатор Филипп Эдуард Антон фон Ленард, который в те времена был ассистентом первооткрывателя электромагнитных волн Генриха Герца. Ленард изобрел названную его именем разрядную трубку со специальным окном, которое позволяло катодным лучам выходить в окружающее пространство. Эксперименты с этим прибором продемонстрировали, что лучи могут пронизывать тонкие металлические пластинки и даже преодолевать в воздухе расстояния порядка нескольких миллиметров. Отсюда однозначно следовало, что частицы катодных лучей не могут быть атомами либо молекулами, поскольку последние, как тогда уже было хорошо известно, к таким подвигам не способны. В 1905 году шведские академики вполне заслуженно оценили ленардовские опыты с катодными лучами Нобелевской премией.
Однако работы Крукса и Шустера по катодным лучам были началом лишь одной из многих тропинок к открытию электрона. Самые первые результаты этого рода восходят к проведенным Майклом Фарадеем в 1833–34 годах исследованиям электролиза, которые отлились в два знаменитых закона, носящих его имя. Они утверждают, что масса осажденного на электроде вещества прямо пропорциональна количеству тока, прошедшего через электролит. Коэффициент пропорциональности, так называемый электрохимический эквивалент, особенно просто выглядит, если валентность осаждаемого вещества равна единице. В этом случае он равен отношению массы ионизированных в растворе атомов вещества к их электрическому заряду, в стандартном обозначении — m/em/e. Более того, с учетом пришедшего из физики газов числа Авогадро, то есть количества частиц, содержащихся в одном моле вещества (6,022×1023), можно вычислить и величину минимального заряда, который переносит каждый такой ион. Как показали эксперименты с электролизом, этот минимальный заряд универсален — он не зависит от выбора «начинки» электролита и численно равен 1,602×10−19 кулона.
Дальше всех в этом направлении зашел ирландский физик-любитель (наукой он занимался в свободное время) и видный гражданский администратор Джордж Джонстон Стони. В 1874 году, выступая в Белфасте на сессии Британской Ассоциации, он заявил, что «Природа с помощью электролиза предоставила в наше распоряжение однозначно определенное количество электричества». А в 1891 году Стони в статье о появлении двойных линий в оптических спектрах газов предложил называть эти элементарные заряды электронами. Интересно, что Стони сначала использовал для них слово electrines (не берусь воспроизвести его по-русски), но потом заменил его на electrons. Так без большого шума название еще неоткрытых в эксперименте носителей элементарного электрического заряда вошло в науку.
Этимологически это название восходит к древнегреческой мифологии. Электрой звали младшую дочь титана Атланта, держащего на своих плечах небесный свод, и Плейоны, дочери титанов Океана и Тефиды. Все семь дочерей Атланта и Плейоны, Плеяды, были вознесены Зевсом на небеса и превратились в звезды. Они составили звездное скопление в созвездии Тельца, также известное как Плеяды (старинное русское название Стожары). Электра (17 Тельца) — бело-голубой гигант, удаленный от Солнца на 370 световых лет. Считают, что греки назвали весьма ценимую ими золотистую окаменевшую смолу, которую привозили с побережья Северного и Балтийского морей, именно в честь этой звезды — ἤλεκτρον. В 1600 году придворный медик английской королевы Елизаветы I Уильям Гильберт, который внес огромный вклад в изучение магнетизма и электричества, в своем написанном по-латыни трактате о свойствах магнитов назвал статическое электричество electricus. Этот новый термин он сконструировал, использовав греческое имя янтаря, который, как скорее всего было известно еще античному философу, математику и астроному Фалесу Милетскому, будучи натерт шерстью, притягивает соломинки и кусочки сухих листьев (этот эффект исторически стал одним из первых проявлений электричества, зафиксированных в корпусе протонаучных знаний). Так и случилось, что имя младшей из Плеяд оказалось связанным с такими важнейшими физическими понятиями как электричество и электрон.