Глава седьмая. Электроника и радиоактивность

Исследования Д. Д. Томсона

Возникновение теории относительности исторически было связано ?с развитием электронной теории, но в дальнейшем теория относительности выросла в общую теорию пространства и времени, а электронная теория продолжала свое самостоятельное развитие. Ее ближайшей задачей было истолкование электрических и магнитных свойств вещества, которые в теории Максвелла описывались чисто формально с помощью эмпирических коэффициентов электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемости. Вместе с тем открытие рентгеновских лучей и радиоактивности необычайно повысило интерес к физике газового разряда и прежде всего к процессам ионизации. В этой области родилась новая экспериментальная техника, сыгравшая существенную роль в становлении электронной и атомной физики. Мы остановимся подробнее на этом важном моменте истории физики 1901-1917 гг.

В самом начале XX столетия, в 1903 г., вышло первое издание книги Д. Д. Томсона "Прохождение электричества через газы". "Я пытался в этом труде,- писал Томсон в предисловии к книге,- развить тот взгляд, что прохождение электричества через газы обусловлено наличием в газах малых частиц, заряженных электричеством, носящих название ионы, которые под влиянием электрических сил движутся от одной части газа к другой".

Далее Томсон пишет: "Изучение электрических свойств газов, по-видимому, представляет наиболее обещающее поле для исследования природы электричества и строения материи..."

Д. Д. Томсон

И в этом он не ошибся. Дискретная структура электричества и электрическая природа материи получили полное обоснование в физике газового разряда. Кроме того, исследования подобного рода имели важные технические последствия: из них выросла электроника.

К моменту выхода книги Томсона было твердо установлено (и прежде всего исследованиями в Кавендишской лаборатории под руководством Томсона), что газ делается проводящим в результате процесса ионизации. "Газ приводится в проводящее состояние, когда через него проходят лучи Рентгена, Ленарда или катодные лучи, тот же самый эффект производится лучами от урана, тория или радиоактивных веществ, полония, радия, актиния, полученными из смоляной смеси соответственно Кюри, Кюном и Бёмоном и Дебьерном, а также, как показал недавно Ленард, посредством легко поглощаемого водой ультрафиолетового света".

Таким образом, основные ионизирующие агенты были уже хорошо известны. Задача состояла в том, чтобы изучить механизм ионизации, законы электрического разряда в газах, а также свойства ионов (подвижность, заряд, масса, диффузия).

Д. Д. Томсон среди докторантов Кавендишской лаборатории

Д. Д. Томсон, Э. Швейдлер и Д. Таунсенд получили кривые зависимости тока от разности потенциалов между электродами и показали, что ток в газе, подверженном действию ионизатора, будет удовлетворять закону Ома только при малых напряжениях; в дальнейшем рост тока замедляется и, наконец, при определенной разности потенциалов достигает постоянной величины. Швейдлер и Таунсенд открыли резкое увеличение тока, когда напряжение возрастает настолько, что поле ионизирует газ (на самом деле ионизацию производят ионы, ускоренные полем до больших скоростей). Ток измерялся в этих опытах с помощью квадрантного электрометра. Таунсенд определял коэффициент рекомбинации и коэффициент диффузии ионов (1900). Резерфорд и Зелени разработали метод измерения подвижности ионов, который Зелени усовершенствовал в 1900 г. таким образом, что можно было определить подвижность как положительных, так и отрицательных ионов в отдельности.

Несколько раньше Зелени, в 1898 г., Резерфорд предложил для измерения подвижностей ионов так называемый "метод переменного поля".

Чатток в 1899-1901 гг. разработал метод измерения подвижностей с помощью разряда с острия. Метод Чаттока получил название "метод электрического ветра". Заметим, что этот метод в более современной форме разработан Ратнером в Ленинграде под руководством А. Ф. Иоффе.

Конечно, методы измерения подвижности ионов развивались и совершенствовались, но начало этим важным измерениям было положено в лаборатории Кавендиша в конце XIX - начале XX в.

Д. Д. Томсон и его ученики внесли существенный вклад и в измерение таких важных характеристик ионов, как удельный заряд и заряд. В своей книге он дает обзор методов измерения ^e/_m для электронов и приводит таблицу значений ^e/_m.

Таблица значений ^e/_m

Эти измерения имели не только то очень важное значение, что в результате их была открыта новая частица - электрон. Значение их в истории физики определяется еще и тем, что здесь было положено начало методам получения электронных пучков и управления этими пучками с помощью магнитных и электрических полей. Не случайно, что в это же время был изобретен родоначальник современного электронного осциллографа - трубка Брауна.

Здание Кавендишской лаборатории

В лаборатории Кавендиша начались и первые определения заряда иона. Начало было положено работами Томсона 1898 г., в которых Томсон использовал наблюдение, сделанное в 1897 г. Ч. Т. Р. Вильсоном, что ионы являются центрами конденсации водяных паров. Наблюдая движение облака водяных паров в электрическом поле, Томсон получил для заряда иона значение

В 1901-1902 гг. Томсон повторил опыты, усовершенствовав установку. Здесь он получил значение

В 1903 г. опыты по определению e предпринял Г. А. Вильсон. Приведем краткое описание его метода, сделанное Д. Д. Томсоном в дополнении к шестой главе своей книги.

Кривая Таунсенда

"Г. А. Вильсон определил (Phil. Mag. [6], V, p. 429, 1903) заряд иона следующим образом: он получал облако ионизированного газа, используя расширение, которое производило конденсацию на отрицательных, а не на положительных ионах, таким образом, все капли наэлектризованы отрицательно; он затем наблюдал скорость падения этих капель в электрическом поле, причем электрическая сила была направлена вертикально; если X есть значение этой силы, действующей так, что она производит движение капли вверх, e - заряд капли, и а - ее радиус, сила, действующая на каплю, есть g⁴/₃πa³- Xe; следовательно, по правилу Стокса, скорость v, с которой падает капля, дается уравнением

Таким образом, измеряя v для разных значений X, мы можем получить а и e; этим методом Вильсон нашел e = 3,1*10^-10 (CGS электростатических единиц)".

Учебная лаборатория Кавендиша

Именно этот метод в его развитии и привел к точным определениям элементарного электрического заряда.

Электрометры лаборатории Кавендиша

Итак, лаборатория Кавендиша в Кембридже, руководимая Д. Д. Томсоном, внесла фундаментальный вклад в развитие электронной и атомной физики. Эти разделы физической науки обязаны ей открытием электрона, важнейшими исследованиями газового разряда, природы электронов, процессов ионизации. Здесь начал свою плодотворную научную деятельность "отец ядерной физики" Эрнст Резерфорд, О. Ричардсон, Ч. Баркла, а также У. Г. Брэгг, Ч. Т. Р. Вильсони другие известные физики. В приведенном нами списке все ученые удостоены Нобелевской премии. Нобелевской премии удостоены и руководители лаборатории Рэлей и Д. Д. Томсон. В лаборатории работали и иностранные ученые. Питомцем Кембриджа был П. Ланжевен и ряд других известных ученых. В Кембридже работали и русские ученые: В. А. Бородовский, Г. А. Бродский, Н. Д. Папалекси. Два года провел там и знаменитый польский физик-теоретик Мариан Смолуховский. В Кембридже начал свою научную деятельность основатель атомной теории Н. Бор. Таким образом, Кембридж оказал существенное влияние на развитие физической науки XX в.

Опыт Вихерта

Само собой разумеется, что в разбираемой нами выше книге Д. Д. Томсона речь идет не только о работах, сделанных в лаборатории Кавендиша. Там описаны и работы других физиков, принявших участие в разработке явлений проводимости в газах и электроники. В частности, Д. Д. Томсон описывает очень важные работы Э. Вихерта по определению удельного заряда электрона и опыты Ф. Ленарда по фотоэффекту. "В январе 1897 г.,- начинает Томсон описание опытов Вихерта,- Вихерт опубликовал определение значений, между которыми должно лежать отношение ^e/_m". Вихерт наблюдал отклонение катодного пучка в магнитном поле, что давало значение ^m/_ev. Для второго уравнения Вихерт полагал - ¹/₂mv² = kV, где V - разность потенциалов между электродами, k - коэффициент, не превышающий единицы. Полагая k = 1, Вихерт получал максимальное значение v. Затем, чтобы получить максимальное значение v, Вихерт подставил вместо kV значение 200 в. Это предположение Томсон считает не вполне обоснованным. "Однако, используя эти предположения, Вихерт нашел для максимального значения значение 4*10⁷ и для минимального значения 4*10⁶". Через два года, в 1899 г., Вихерт разработал метод прямого определения скорости катодных частиц, используя идею, предложенную де Кудром в 1895 г. Мы не будем подробно излагать этот метод, описанный в ряде руководств, ограничившись только воспроизведением схемы опыта, приведенного в книге Д. Д. Томсона, и заключительным выводом: "Вихерт пришел к заключению, что значение ^e/_m находится между 1,55*10⁷ и 1,01*10⁷. Как наиболее вероятное значение он дал 1,26*10⁷". Исследования Вихерта дают основание утверждать, что субатомная частица - электрон - была впервые открыта именно им. Но именно Томсон, со всей тщательностью разработавший методику измерения ^e/_m, и сделал совершенно определенный и недвусмысленный вывод о существовании субатомной частицы, в который так нелегко было поверить еще и в 1901 г. Томсону пришлось выступить со специальной статьей: "Существование тел, меньших атома". Томсон исследовал природу этих частиц не только в катодных трубках, но и в термоэлектрических и фотоэлектрических явлениях и, таким образом, смог констатировать универсальность этой частицы, которая оказывается одной и той же, какими бы путями она ни получалась.