Как открыли электрон?

XVIII век... Человечество (на самом деле лишь та его часть, которую называют передовыми людьми), словно очнувшись окончательно от средневекового оцепенения, начало с любопытством озирать свои владения. Свои потому, что вера тех самых передовых людей в могущество Разума была исключительно глубокой.

Величественное в своей простоте и всеобщности здание механики, завершенное трудами И. Ньютона, казалось, оканчивало все споры об устройстве природы. Всё можно рассчитать, и то, как фантастически далекие светила послушно следовали закону всемирного тяготения, убеждало даже скептиков.

Авторитет закона всемирного тяготения, согласно которому любые два тела притягиваются с силой, обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними, был настолько велик, что и электрическое взаимодействие заряженных тел стали считать столь же всеобщим, как и тяготение.

Вот что французский физик Шарль Франсуа Дюфе писал в 1737 г.: "Электричество оказывается универсальным свойством, распространенным по всей известной нам материи, и оно, вероятно, играет значительно большую роль в мировом механизме, чем мы предполагаем".

Такие мысли, естественно, не могли не привести к предположению об универсальности и "закона обратных квадратов". Опыты с заряженными телами подтвердили эту точку зрения, увенчавшись знаменитым законом Кулона. Конечно, полной аналогии между электричеством и тяготением не было: электрические заряды не только притягивались, но и могли отталкиваться, однако важно то, что в XVIII в. было положено начало поискам универсальности, единства сил природы. Через 100 лет после работ Шарля Кулона и его современников Майкл Фарадей и Джеймс Клерк Максвелл сделали важный шаг вперед в этом направлении: из их опытов и теоретических рассуждений следовало, что считавшиеся ранее разнородными свет, электричество и магнетизм - это лишь разные проявления одного и того же электромагнитного поля. При небольшом размышлении этот факт (тождественность света и электромагнитного поля) приводит нас к выводу, что всё вокруг имеет электромагнитную природу, ибо мы видим это "всё" посредством света.

М. Фарадей, пропуская ток через электролиты и измеряя количество выделяющихся на электродах веществ, вплотную подошел к мысли об атомарной природе электричества, а именно: в природе существует наименьший электрический заряд, равный заряду иона водорода. Любой заряд всегда выражается целым числом этих элементарных зарядов, "атомов электричества ".

Английский физик Дж. Дж. Стони, много сделавший для разработки этой гипотезы, придумал специальное название для "атома электричества" - "электрон".

Примерно с середины XIX в. многие физики в разных странах экспериментировали с электрическими разрядами в особых стеклянных трубках с впаянными в стенки электродами (они изобретены У. Круксом), которые были составной частью замкнутой электрической цепи.

Интересно, что, даже после того как газ откачивался, ток в цепи не прекращался, если отрицательный электрод (катод) нагревали. Этот ток сопровождался характерным свечением, красивым и загадочным. Ясно было, что ток не может идти через пустоту. Таинственная субстанция, осуществлявшая передачу электричества от катода к аноду, была названа катодными лучами. Один из наиболее неутомимых исследователей катодных лучей - англичанин Дж. Дж. Томсон окончательно установил их природу.

Уже до того многие считали, что катодные лучи - это поток мельчайших отрицательно заряженных частиц, но прямого экспериментального доказательства не было. Помещая трубку Крукса в магнитное поле, Дж. Дж. Томсон исследовал отклонение катодных лучей от прямой линии и обнаружил, что отношение заряда к массе у электронов (из которых и состояли катодные лучи) в тысячу раз больше, чем у этого же отношения для ионов водорода, изученных ранее в опытах по электролизу. Смело приняв гипотезу о том, что электроны и ионы водорода несут одинаковый по величине элементарный заряд, Дж. Дж. Томсон пришел к выводу, что электроны обладают ничтожно малой массой по сравнению с атомами и молекулами.

Электрон

В конце XIX в. уже у многих сложилось твердое убеждение в том, что электроны входят в состав атомов. Тем самым признавалось, что атом неделим лишь в химических процессах. Особенно же веру в неделимость атома поколебало открытие Анри Беккерелем радиоактивности в 1896 г. Принципы классической физики: закон сохранения энергии, равенство действия противодействию и другие, казалось, вот-вот рухнут. Радиоактивное излучение не убывало со временем, словно создаваясь из ничего.

Наш герой - электрон и здесь оказался в центре событий. Э. Резерфорд в самом начале XX в. доказал, что из трех видов лучей - α, β и γ, испускаемых радием, β-лучи не что иное, как те же самые электроны, которые увидел Дж. Дж. Томсон, только движущиеся с громадными скоростями, близкими к скорости света. Вот эта-то близость к скорости света и позволила в конце концов ответить на вопрос: как устроены пространство и время?