Джордж Джонсон: Десять самых красивых экспериментов в истории науки

Томсон подозревал, что Герц недостаточно откачал воздух из лампы и оставшиеся молекулы закорачивают пластины так, словно они оказываются под дождем. При более высоком вакууме он смог подтолкнуть пучок в сторону положительного полюса — серьезное указание на то. что катодные лучи состоят из отрицательно заряженного вещества, частиц электричества, или электронов.

Я не собирался покупать установку Томсона, но красота эксперимента настолько соблазнила меня, что я не устоял: в простой деревянной рамке установлена сферическая вакуумная трубка с заострениями, а большие медные катушки Гельмгольца (названы так в честь немецкого физика Германа фон Гельмгольца) крепятся по бокам. При расстоянии между ними, равном их радиусу (15 см), они создавали равномерное магнитное поле, в котором оказывалась трубка. Прибор был изготовлен в Германии для демонстрации на уроках физики, и посеревшее и потрескавшееся покрытие электрических клемм позволяло предполагать, что сделали его в 60-е годы прошлого века.

Никакого руководства не было, а вместо него оказался толстый лист чертежной бумаги, на котором кто-то цветными карандашами изобразил схему включения прибора: для разогрева металлического катода и выброса электронов, ускоряющихся значительно большим напряжения на аноде, подавалось напряжением 6,3 В. Третий источник тока должен был питать катушки Гельмгольца. Я подсоединил провода к моему источнику питания и выключил свет.

Зрелище было жутковатым. По мере того как я увеличивал напряжение на аноде, вокруг катода собиралось зеленоватое облако в форме яблока, оно росло и наполнялось светом до тех пор, пока при 160 В тонкий как волосок синий луч «выстрелил» из самой сердцевины и ударил в верхнюю часть стекла. Настоящий джинн в бутылке! Каким страшным это все должно было казаться Круксу и другим пионерам электронно-лучевых приборов! Некоторым чудилось, что они видят эктоплазму, ту самую субстанцию, появляющуюся из отверстий в теле медиума во время спиритического сеанса. Поднеся стержневой магнит к стеклу, я заставил джинна искривиться. Черный полюс отклонял пучок на меня, а красный — отталкивал.

Теперь пришла пора подать напряжение на катушки. Я стал потихоньку вертеть ручку, и при напряжении 3,5 В и токе 0,76 А пучок закрутился по часовой стрелке и образовал сияющий круг внутри трубки. Если анод старался толкать электроны строго вверх, то магнитный ветер сносил их в сторону — две силы встретились под прямым углом и, как понял Томсон, результат этой борьбы зависит от массы частиц и их заряда. Эксперимент не мог ему дать ни одной из этих величин (потому что легкие, слабо заряженные частицы будут вести себя так же, как и тяжелые частицы с большим зарядом). Но соотношение величин определить можно.

Я подставил свои величины — анодного напряжения, тока на катушках, радиуса мерцающего круга — в его уравнение и произвел вычисления. Получилось 2,5 х 10 8кулона на грамм (единица электрического заряда «кулон» была названа в честь французского ученого Шарля Огюстена Кулона, она приблизительно равняется количеству электричества, проходящему ежесекундно через 100-ваттную лампочку). Я получил итоговую величину примерно на 50 % больше общепринятой, но был доволен тем, что хоть количество нулей в результате совпало.

Более важным было то, что Томсон собирался показать, а именно: отношение заряда и массы частиц луча не зависит ни от конкретного газа в трубке, ни от металла, из которого сделан катод. Это означает, что, независимо ни от чего, луч будет состоять из одного и того же вещества.

И каким же странным было это вещество! Отношение заряда к массе уже было измерено для занимающего самое высокое место в периодической таблице атома водорода, когда он перетекал от полюса к полюсу электролитического элемента. Для электрона эта величина была почти в тысячу раз больше. Либо у него должен быть огромный заряд, либо, как предполагал Томсон, он несоизмеримо меньше атома. Интуиция подсказывала Томсону, что он открыл нечто невообразимое — субатомную частицу.