Вплив експериментальних досліджень Томсона на розвиток фізики

Англійський фізик Джозеф Джон Томсон народився в Читхем-Хілл, передмісті манчестера, в сім'ї Джозефа Джеймса і Еми (у дівоцтві Суинделлс) Томсон. Оскільки батько, книгопродавець, хотів, щоб хлопчик став інженером, його у віці чотирнадцяти років послали в Оуэнс-коледж (нині Манчестерський університет). Проте через два роки батько помер, залишивши сина без засобів. Проте він продовжив навчання завдяки фінансовій підтримці своєї матері і стипендіальному фонду.

Оуенс-коледж зіграв важливу роль в кар'єрі Томсона, оскільки там був чудово обладнаний факультет і на відміну від більшості коледжів того часу читалися курси експериментальної фізики. Отримавши в Оуэнсе в 1876 р. звання інженера, Томсон поступив в Трініті-колледж Кембріджського університету. Тут він вивчав математику і її додатки до завдань теоретичної фізики. Ступінь бакалавра по математиці він отримав в 1880 р. Наступного року він був обраний членом вченої ради Трініті-колледжа і почав працювати в Кавендишской лабораторії в Кембріджі.

У 1884 г. Дж.У. Стрет, наступник Джейма Клерка Максвелла на посту професора експериментальної фізики і директора Кавендишской лабораторії, пішов у відставку. Томсон зайняв цей пост, незважаючи навіть на те, що йому було тоді всього двадцять сім років і він не добився ще скільки-небудь помітних успіхів в експериментальній фізиці. Проте його дуже цінували як математико-фізика, він активно застосовував максвелловскую теорію електромагнетизму, що і визнали достатнім при рекомендації його на цей пост.

Приступивши до своїх нових обов'язків в лабораторії, Томсон вирішив, що головним напрямом його досліджень повинне стати вивчення електричної провідності газів. Особливо його цікавили ефекти, що виникають при проходженні електричного розряду між електродами, поміщеними в протилежних кінцях скляної трубки, з якої викачано майже усе повітря. Ряд дослідників, і серед них англійський фізик Уільям Крукс, звернули увагу на одне цікаве явище, що виникає в таких газорозрядних трубках. Коли газ стає досить розрідженим, скляні стінки трубки, розташовані на кінці, протилежному до катода (негативному електроду), починають флуоресціювати зеленуватим світлом, що, видно, відбувалося під впливом випромінювання, що виникає на катоді.

Катодні промені викликали в науковому середовищі величезний інтерес, а відносно їх природи висловлювалися найсуперечніші думки. Британські фізики в більшості своїй вважали, що ці промені є потоком заряджених часток. Навпаки, німецькі учені переважно схилялися до думки, що вони є обуреннями - можливо, коливаннями або струмами - в деякому гіпотетичному невагомому середовищі, в якому, як вони вважали, поширюється це випромінювання. З цієї точки зору катодні промені представлялися чимось на зразок високочастотної електромагнітної хвилі, подібної до ультрафіолетового світла. Німці посилалися на досліди Генріха Герца, який, як вважалося, виявив, що катодні промені, відхиляючись під впливом магнітного поля, залишаються нечутливими до сильного електричного поля. Передбачалося, що це спростовує думку, ніби катодні промені - це потік заряджених часток, бо електричне поле незмінно робить дію на траєкторію таких часток. Навіть якщо це було і так, проте експериментальні аргументи німецьких учених залишалися не цілком переконливими.

Дослідження катодних променів і пов'язаних з ними явищ пожвавилися у зв'язку з відкриттям Вільгельмом Рентгеном в 1895 р. рентгенівських променів. Між іншим, ця форма випромінювання, про яку раніше не підозрювали, також виникає в газорозрядних трубках (але не на катоді, а на аноді). Незабаром Томсон, працюючи разом з Ернестом Резерфордом, виявив, що опромінення газів рентгенівськими променями у величезній мірі збільшує їх електропровідність. Рентгенівські промені іонізували гази, тобто вони перетворювали атоми газу на іони, які на відміну від атомів заряджені і, отже, служать хорошими переносниками струму. Томсон показав, що провідність, що виникає тут, в чомусь схожа на іонну провідність при електролізі в розчині.

Виконавши зі своїми студентами дуже плідне дослідження провідності в газах, Томсон, підбадьорений успіхами, впритул зайнявся невирішеним питанням, яке займало його вже багато років, а саме складом катодних променів. Як і інші його англійські колеги, він був переконаний в корпускулярній природі катодних променів, вважаючи, що це могли бути швидкі іони або інші наелектризовані частки, що вилітають з катода. Повторивши досліди Герца, Томсон показав, що насправді катодні промені відхиляються електричними полями. (Негативний результат у Герца був пов'язаний з тим, що в його газорозрядних трубках знаходилося надто багато залишкового газу.) Томсон пізніше відмічав, що "відхилення катодних променів електричними силами стало цілком помітним, а його напрям вказував на те, що складові катодні промені частки несли негативний заряд. Цей результат усуває протиріччя між дією електричних і магнітних сил на катодні частки. Але він має набагато більше значення. Тут виникає спосіб виміру швидкості цих часток v, а також і e/m, де m - маса частки, а е - її електричний заряд".

Метод, запропонований Томсоном, був дуже простий. Спочатку пучок катодних променів відхилявся за допомогою електричного поля, а потім за допомогою магнітного поля він відхилявся на рівну величину в протилежну сторону, так що у результаті пучок знову випрямлявся. Використовуючи таку експериментальну методику, стало можливим вивести прості рівняння, з яких, знаючи напруженості двох полів, легко визначити як v, так і e/m.

Знайдене таким чином значення e/m для катодних "корпускул" (як називає їх Томсона) виявилося в 1000 разів більше відповідного значення для іона водню (тепер ми знаємо, що істинне відношення близьке до 1800:1). Водень серед усіх елементів має найбільше відношення заряду до маси. Якщо, як вважав Томсон, корпускули несли той же самий заряд, що і іон водню, ("одиничний" електричний заряд), то він відкрив нову суть, в 1000 разів легшу, ніж простий атом.

Ця здогадка підтвердилася, коли Томсон за допомогою приладу, винайденого Вільсоном, вдалося виміряти значення е і показати, що воно дійсне рівно відповідному значенню для іона водню. Він виявив далі, що відношення заряду до маси для корпускул з катодних променів не залежить від того, який газ знаходиться в газорозрядній трубці і з якого матеріалу зроблені електроди. Більше того, частки з тим же самим відношенням e/m вдавалося виділити з вугілля при нагріванні і з металів при дії на них ультрафіолетовими променями. Звідси він зробив висновок, що "атом - не остання межа подільності матерії; ми можемо рухатися далі - до корпускули, і ця корпускулярна фаза однакова, незалежно від джерела її виникнення.. Вона, видно, входить складовою частиною в усі різновиди матерії за самих різних умов, тому здається цілком природним розглядати корпускулу як один з цегли, з якої побудований атом".

Томсон пішов далі і запропонував модель атома, що узгоджується з його відкриттям. На початку XX ст. він висунув гіпотезу, що атом є розмитою сферою, що несе позитивний електричний заряд, в якій розподілені негативно заряджені електрони (як врешті-решт стали називати його корпускули). Ця модель, хоча вона і була незабаром витиснена ядерною моделлю атома, запропонованою Резерфордом, мала риси, що цінними для учених того часу і стимулюють їх пошуки.

Томсон отримав в 1906 р. Нобелівську премію по фізиці "на знак визнання його видатних заслуг в області теоретичних і експериментальних досліджень провідності електрики в газах". На церемонії презентації лауреата Дж.П. Класон, член Шведської королівської академії наук, привітав Томсона з тим, що він "дав світу декілька головних праць, дозволяючих натурфілософу нашого часу зробити нові дослідження в нових напрямах". Показавши, що атом не є самою останньою неділимою часткою матерії, як це довго рахували, Томсон і справді відкрив двері в нову еру фізичної науки.

Між 1906 і 1914 рр. у Томсона почався другий і останній великий період експериментальної діяльності. Він вивчав канальні промені, які рухаються у напрямку до катода в розрядній трубці. Хоча Вільгельм Він вже показав, що канальні промені є потоком позитивно заряджених часток, Томсона з колегами пролили світло на їх характеристику, виділили різні типи атомів і атомних груп в цих променях. У своїх дослідах Томсон продемонстрував абсолютно новий спосіб розподілу атомів, показавши, що деякі атомні групи, такі, як СН,, СН2 і СН3 можуть існувати, хоча в звичайних умовах їх існування нестабільне. Велике значення має і те, що йому вдалося виявити, що проби інертного газу неону містять атоми з двома різними атомними масами. Відкриття цих ізотопів зіграло важливу роль в розумінні природи важких радіоактивних елементів, таких, як радій і уран.

Під час першої світової війни Томсон працював в Управлінні досліджень і винаходів і був радником уряду. У 1918 р. він очолив 

Трініті-колледж. Рік потому Резерфорд змінив його на посту професора експериментальної фізики і директора Кавендишской лабораторії.

Після 1919 р. діяльність Томсона зводилася до виконання обов'язків глави Трініті-коледжу, додаткових досліджень в Кавендишскій лабораторії і вигідних вкладів грошей. Йому подобалося працювати в саду, і він часто здійснював далекі прогулянки у пошуках незвичайних рослин.

Томсон одружився на Розі Паджет в 1890 р.; у них були син і дочка. Його син, Дж.П. Томсон, отримав Нобелівську премію по фізиці за 1937 р. Томсон помер 30 серпня 1940г. і був похований у Вестмінстерському абатстві в Лондоні.

Томсон вплинув на фізику не лише результатами своїх блискучих експериментальних досліджень, але і як чудовий викладач і прекрасний керівник Кавендишской лабораторії. Притягнені цими його якостями, сотні найбільш талановитих молодих фізиків зі всього світу вибирали місцем навчання Кембрідж. З тих, хто працював в Кавендиші під керівництвом Томсона, семеро стали свого часу лауреатами Нобелівської премії.

На додаток до Нобелівської премії Томсон отримав багато інших нагород, серед яких можна вказати медалі: Королівську (1894), Хьюза (1902) і Коплі (1914), присуджені Лондонським королівським суспільством. Він був президентом Лондонського королівського суспільства в 1915 р. і його нагородили дворянством в 1908 р.