Становление и развитие
современной атомистики

Продолжение. Начало см. в № 5/2004

Именно электрону суждено было нанести первый удар по постулатам классической атомистики. Его выход на «авансцену» науки связан с именами Дж.Томсона и Э.Вихерта, которые считаются авторами открытия. Однако зададимся вопросом: какое содержание должно быть здесь вложено в понятие «открытие»? Нобелевский комитет присудил в 1906 г. премию по физике Томсону с довольно расплывчатой формулировкой: «За теоретические и экспериментальные исследования прохождения электричества через газы». Но ведь этой проблемой занимались многие ученые. Например, годом раньше премию получил немецкий физик Ф.Ленард: «За исследование катодных лучей». Как раз их всестороннее изучение в конечном счете позволило обрести «плоть и кровь» первой элементарной частице – электрону. Поэтому целесообразно подробнее разобраться в перипетиях его истории.

Мало известно научных открытий, в подготовке которых так или иначе принимало бы участие столько выдающихся умов, как в случае электрона. Пожалуй, первым исторически справедливо назвать американского естествоиспытателя Бенджамина Франклина. В середине XVIII в. он разработал «унитарную теорию» электрических явлений, ввел понятия о положительном и отрицательном электричестве и предположил: «электрическая субстанция» состоит из очень мелких частиц, которые легко проникают через металлы.
В следующем столетии Майкл Фарадей сформулировал классические законы электролиза (1833–1834). Они стали существенным аргументом в пользу дискретного характера электричества.
В начале 1870-х гг. немецкий физик Вильгельм Вебер предложил «электрическую модель» атома, как бы состоящего из двух частиц электричества – положительной и отрицательной. По мнению исследователя, отрицательная частица находится в покое, тогда как положительная движется вокруг нее. При очевидной надуманности веберовская модель являет любопытный пример предвидения, взятого, так сказать, с «обратным знаком». Стоит лишь «поменять местами» отрицательную и положительную частицы, как перед нами вырисовывается некий прообраз атомных моделей начала ХХ в.
спустя десятилетие Герман Гельмгольц заявил: «Если мы принимаем гипотезу о том, что элементарные вещества состоят из атомов, то мы не можем не прийти к выводу, что и электричество, как положительное, так и отрицательное, состоит из определенных элементарных порций, ведущих себя подобно атомам электричества».
Почти одновременно с немецким естествоиспытателем в 1874 г. мало кому известный ирландский физик и математик Джордж Стони опубликовал статью «О физических единицах природы». Он также придерживался представления о корпускулярном строении электричества. Стони сделал первую попытку вычислить величину элементарного заряда электричества и нашел, что она составляет 0,3•10^–10 абсолютных электростатических единиц (современное значение 4,8•10^–10). В 1891 г. ученый впервые употребил термин «электрон» для наименования единицы электрического заряда. По его мнению, электрон «соответствует в химическом атоме каждой связи. Таким образом, в одном химическом атоме может быть несколько таких зарядов и, по-видимому, в каждом атоме их по крайней мере два (один положительный и один отрицательный). Эти заряды, которые удобно назвать электронами, не могут быть отделены от атомов, но они обнаруживаются, когда атомы вступают в химическое соединение».
Эта фраза представляет особый интерес для химика, ибо в ней смутно предполагается участие электронов в химической связи. Пройдет всего лишь десятилетие, и подобные идеи посыплются как из рога изобилия. Но пока-то и сам электрон не обнаружен, и кроме веберовской гипотезы нет попыток «изобразить» строение атома. Однако в понятийный аппарат науки с этого времени термин «электрон» входит раз и навсегда.
Конечно, никакого влияния воззрения Стони не оказали на действительное развитие событий, предшествующих непосредственной констатации существования электрона. Магистральным путем к этому стало изучение катодных лучей. Их открыл немецкий физик Иоганн Гитторф в 1869 г. Работая с разрядной трубкой, Гитторф обнаружил свечение в стекле, которое вызывалось невидимыми лучами, распространявшимися прямолинейно от катода. Потому они и получили название катодных. Оказалось, что лучи отклоняются в магнитном поле. Продолжил исследования Гитторфа его соотечественник Эуген Гольдштейн. Он обратил внимание, что свойства лучей не зависят от материала катода и могут вызывать химические реакции, например, разлагать соли серебра. Но оставалось неясным, имеют ли лучи корпускулярную природу или, подобно световым, волновую.

И.В.Гитторф (1824–1914)

Важную роль в «одиссее» электрона сыграл английский физик и химик Уильям Крукс. Превосходный экспериментатор, он сконструировал несколько типов разрядных трубок (рис. 1). Это в значительной степени способствовало дальнейшему изучению свойств катодных лучей. Ученый выдвинул оригинальное представление об их природе, полагая, что лучи могли быть «потоком молекул». Несмотря на ошибочность, модель Крукса все же позволяла объяснить многие наблюдавшиеся свойства лучей. Однако ученый предпочитал говорить о них, как о «четвертом состоянии вещества». Несомненной для Крукса была «корпускулярность» катодных лучей.

Напротив, Генрих Герц – один их основоположников электродинамики – придерживался мнения об их волновом характере и рассматривал лучи как новый вид электромагнитных волн.

Минуло уже почти три десятилетия со времени открытия катодных лучей. Их свойства, можно сказать, изучены досконально. Круксовские разрядные трубки стали принадлежностью едва ли не каждой физической лаборатории. Давно в ходу предложенный Стони термин «электрон» для обозначения элементарного электрического заряда. Большинство исследователей придерживаются мнения, что катодные лучи – поток отрицательно заряженных материальных частиц. Проведены количественные оценки величины заряда «электрона».
Так чего же еще не хватало, чтобы собственно констатация существования «электрона» как некоей отрицательно заряженной материальной частицы стала совершившимся фактом? Не требовалось особого воображения для того, чтобы предположить: электрон – воплотись он в реальность! – окажется «субатомной» частицей, меньшей, чем атом, хотя о строении последнего ничего не было известно. Но это в значительной степени противоречило бы основам классической атомистики, провозглашавшей атом мельчайшей частицей вещества. Таким образом, здесь срабатывал своеобразный психологический фактор.
Час электрона пробил в 1897 г. Окончательную констатацию его существования связывают с именами Джозефа Томсона и Эмиля Вихерта, хотя второе имя в историко-научной литературе, энциклопедиях и учебных изданиях либо вообще не упоминается, либо встречается крайне редко. Конечно, как ученый Томсон несравненно более крупная фигура в физике. Но, как мы увидим далее, Вихерт был «крестным отцом» электрона отнюдь не в меньшей степени.
Томсон работал в знаменитой Кавендишской лаборатории и катодными лучами заинтересовался еще в 1894 г. Там, в частности, он сконструировал прибор, который позволял определять отношение заряда частицы к ее массе посредством попеременного отклонения катодных лучей в магнитном и электрическом полях (рис. 2). Этот прибор в конечном счете и дал возможность окончательно разрешить загадку катодных лучей. К концу XIX в. к работам Томсона в научном мире относились с большим вниманием.
Доктор философии Кёнигсбергского университета, физик и в большей степени геофизик (кстати, он одним из первых пришел к выводу о существовании земного ядра), Вихерт не пользовался сколь-либо широкой известностью. Он провел несколько незаурядных исследований в области рентгеновских и катодных лучей.

…История науки знает немало примеров, когда двое (а порой и больше) исследователей делали одно и то же открытие независимо и практически одновременно, но кому-то из них удавалось первому сообщить о полученных результатах. Обычно ему и приписывался приоритет открытия. Что касается истории электрона, то проблема приоритета в данном случае по существу не обсуждалась.
Вообще говоря, при скрупулезном подходе первенство должно было бы принадлежать Вихерту. В докладе на заседании физико-экономического общества в Кёнигсберге 7 января 1897 г. он заявил, что проделанные им опыты с катодными лучами свидетельствуют о существовании электрических зарядов, которые обладают конечной массой. Вихерт говорил: «…мы должны задаться вопросом, какого рода эти электрические частички, идет ли здесь речь об известных химических атомах или атомных группах или же о телах иного рода… (исследование. – Д.Т.) показало, что мы имеем дело не с атомами, известными из химии, потому что масса движущихся частиц оказалась в 2000–4000 раз меньше, чем у атома водорода, т. е. легчайшего из химических атомов». Позднее Вихерт уточнил массу частицы (1/1000 – 1/2000 массы водородного атома). Это значение уже близко к истинному.

Э.Вихерт (1861–1928)

Томсон, по всей вероятности, не знал о январском докладе немецкого ученого, поскольку он был напечатан в малодоступном журнале. Историки науки, говоря о приоритете Томсона, ссылаются на его статью «Катодные лучи», опубликованную в августе 1897 г. В ней содержатся следующие сведения:

1) отношение заряда к массе (e/m) для «частицы материи, заряженной отрицательным электричеством» в катодных лучах, составляет 1,7•10⁷;
2) «таким образом, для носителей электричества в катодных лучах отношение m/e очень мало сравнительно с его значением в процессах электролиза»;
3) «подобное значение m/e может быть связано с тем, что мало m и велико е или с комбинацией обеих причин»;
4) «малое значение m/e… обязано как тому, что велико е, так и тому, что мало m».

В следующем году Вихерт заметил, что Томсон пришел к выводам «об особых электрических атомах», «совершенно аналогичным тем, которые я сделал несколькими месяцами ранее». Впоследствии к вопросу о перипетиях открытия электрона Вихерт не возвращался.
Спустя 40 лет Томсон вернулся к истории электрона. Он вспоминал, например, что первое сообщение об электроне сделал 29 апреля; 21 мая оно было опубликовано; полный же текст статьи «Катодные лучи» увидел свет в октябре. Примечателен комментарий Томсона: «Примерно в то же время другие исследования величины m/e были опубликованы Э.Вихертом… чьи результаты довольно хорошо согласовывались с моими…» Однако Томсон по-другому истолковывал свои результаты. По его мнению, сама мысль о существовании частиц, меньших, чем атомы, вызывала недоверие физиков. Но в ходе последующих экспериментов он пришел к выводу: «Не оставалось сомнения в том, что большое значение е/m обусловливается малостью массы, а не большой величиной заряда».

Дж.Томсон (1856–1940)

Вихерт в известной степени лишь наметил проникновение электронных представлений в химию, тогда как Томсон на протяжении по крайней мере трети двадцатого столетия почти все свое время отдавал изучению электрона. Это обстоятельство и объясняет, почему в современных описаниях истории открытия первой элементарной частицы имя Вихерта часто не упоминается вообще. Правда, слово «открытие» здесь выглядит неточным, правильнее было бы сказать «окончательная констатация существования».
Величайшая заслуга Томсона состоит в том, что он отчетливо увидел в электроне один из структурных «кирпичиков» материи: «Таким образом, катодные лучи представляют собой новое состояние вещества, отличное от обычного газообразного состояния… в этом новом состоянии материя представляет собой вещество, из которого построены все химические элементы».
Вывод о существовании электрона стал одним из величайших научных событий конца XIX в.

Именно электрон оказался сильнейшим стимулом к разработке моделей строения атомов, положил начало теориям химической связи.
Закономерности формирования электронных конфигураций атомов по мере роста зарядов их ядер легли в основу объяснения периодичности свойств элементов.
Идея о «дуализме» электрона способствовала разработке фундаментальных теоретических основ квантовой механики, а электрон как объект теоретического изучения занял одно из центральных мест в науке ХХ в.

 

ЛИТЕРАТУРА

Андерсон Д. Открытие электрона. Развитие атомных концепций электричества. Пер. с англ. М.: Атомиздат, 1968;
Быков Г.В. К истории открытия электрона. В кн.: Вопросы истории естествознания и техники, 1963, вып. 15, с. 25–29;
Вяльцев А.Н. Открытие элементарных частиц. Электрон . Фотоны . М.: Наука, 1981.

Д.Н.ТРИФОНОВ