Джозеф Джон Томсон

Джозеф Джон Томсон (1856-1940) — английский физик, основатель научной школы, член (1884) и президент (1915-1920) Лондонского Королевского общества, иностранный член-корреспондент Петербургской АН (1913) и иностранный почетный член (1925) АН СССР. Директор Кавендишской лаборатории (1884-1919). Исследовал прохождение электрического тока через разреженные газы. Открыл (1897) электрон и определил (1898) его заряд. Предложил (1903) одну из первых моделей атома. Автор исследований электрических токов в разреженных газах и катодных лучей, объяснивший непрерывность спектра рентгеновских лучей, выдвинувший идею о существовании изотопов и получивший ее экспериментальное подтверждение. Один из создателей электронной теории металлов. Нобелевская премия (1906).

Джозеф Томсон родился 18 декабря 1856, Чэтем Хилл, пригород Манчестера. Скончался 30 августа 1940, в Кембридже; похоронен в Вестминстерском аббатстве.

Математик приходит в физику

Джозеф Томсон родился в семье продавца книг. Отец хотел, чтобы он стал инженером, и когда Джозеф достиг четырнадцати лет, его отдали учиться в колледж Оуэна (впоследствии Манчестерский университет).

До середины 19 века в университетах не существовало исследовательских лабораторий и профессора, проводившие опыты, делали это у себя дома. Первая физическая лаборатория была открыта в Кембридже в 1874 г. Ее возглавил Джеймс Клерк Максвелл, а после его ранней кончины — лорд Рэлей, вышедший в отставку в 1884. И тогда неожиданно для многих Томсон, двадцативосьмилетний математик, только начинавший экспериментальные исследования, был избран кавендишевским профессором и директором лаборатории. Будущее показало, что этот выбор оказался весьма удачным.

Начало экспериментов Джозефа Томсона

Внимание многих физиков в то время привлекали проблемы электричества и магнетизма. Уже появились (хотя еще не вошли во всеобщее употребление) уравнения Максвелла. Однако, Томсон обратился не к той части электродинамики, которая рассматривает напряженности полей, порождаемых «заданными» источниками (т. е. плотности зарядов и токов которых известны), а именно вопросом о физической природе самих этих источников. В теории самого Максвелла этот вопрос почти не обсуждался. Для него электрический ток — все, что порождает магнитное поле (не меняющиеся со временем распределения электрических зарядов создают только электрические поля).

Томсона увлек вопрос о носителях зарядов. Он начал с исследования токов в разреженных газах, чем занимались тогда и в ряде других лабораторий. Томсон обнаружил, что проводимость газов увеличивается под воздействием рентгеновских лучей. Важные результаты были получены им при исследовании катодных лучей. т.е. потоков, исходящих из катодов (отрицательных электродов) разрядных трубок. Об их физической природе высказывались тогда различные мнения. Большинство немецких физиков полагало, что это — волны, подобные рентгеновским лучам, тогда как английские видели в них поток частиц.

В 1894 Томсону удалось измерить их скорость, которая оказалась в 2000 раз меньше световой, что явилось убедительным доводом в пользу корпускулярной гипотезы. Через год французского экспериментатор Жан Перрен выяснил знак электрического заряда катодных лучей: попадая на металлический цилиндр, они заряжали его отрицательно. Оставалось определить массу частиц. Эту проблему также с блеском смог разрешить Томсон. Но, прежде чем начать эксперимент, он обратился к теории и рассчитал, как должна двигаться заряженная частица в скрещенных электрическом и магнитном полях. Отклонение такой частицы получалось зависящим от отношения ее заряда к массе.

Начался эксперимент (нужно заметить, что Джозеф Томсон чаще всего, тщательно, во всех деталях продумав эксперимент, предоставлял его проведение помощникам). Его результаты показали, что масса частиц почти в 2000 раз меньше. чем у самых легких ионов — ионов водорода. Что же касается заряда, то у ионов он уже был надежно вычислен на базе опытов по электролизу и оказался положительным. Поскольку атом водорода имеет нулевой заряд, это наводило на мысль, что существуют равные по величине и противоположные по знаку носители дискретных порций электрических зарядов. Те частицы, которые входили в состав катодных лучей, были вскоре названы электронами. Их открытие было одним из важнейших достижений физики конца 19 века, и оно непосредственно связано с именем Томсона, удостоенного за него в 1906 Нобелевской премии.

Модель атома

В том же 1897, когда было зарегистрировано открытие электрона, Д. Томсон обратился к проблеме атома. Придя к убеждению, что, вопреки своему названию, атом не является неделимым, Томсон предложил модель его устройства. По этой модели атом выступал в виде положительно заряженной «капли», внутри которой «плавали» маленькие отрицательно заряженные шарики — электроны. Под действием кулоновских сил они располагались вблизи центра атома в виде цепочек определенных конфигураций (в которых можно было даже усмотреть нечто напоминающее упорядоченность в периодической таблице Менделеева). Если какой-то толчок отклонял электроны от положений равновесия, начинались колебания (связь со спектрами!) и кулоновские силы стремились восстановить исходное равновесие. Хотя опыты, проведенные впоследствии в той же кавендишевской лаборатории преемником Томсона, Эрнестом Резерфордом заставили отказаться от этой модели, она сыграла немалую роль в формировании представлений о строении материи.

От электронов к ядрам

Начав работу в кавендишевской лаборатории с исследования рассеяния рентгеновских лучей, Джозеф Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и поныне играет видную роль в физике элементарных частиц.

Важна была также роль Томсона в открытии фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии. Очень плодотворной оказалась и идея использования скрещенных полей для измерения отношений зарядов частиц к их массам. На этой идее основана работа масс-спектрографов, которые нашли широкое применение в физике ядра и, в частности, сыграли существенную роль для открытия изотопов (ядер, имеющих различные массы, но одинаковые заряды, чем определяется их химическая неразличимость). Отметим, что предсказание существования изотопов и экспериментальное обнаружение некоторых из них также было сделано Томсоном.

Джозеф Томсон был одним из ярчайших физиков-классиков. Правда, он застал появление квантовой теории (становление которой происходило в значительной степени на его глазах и при непосредственном участии его молодых коллег), появление теории относительности и атомной и ядерной физики. Более того, его личное участие в том грандиозном пересмотре всего физического миропонимания, которое принесли первые десятилетия нового века, было несомненным и глубоким. Но он до конца дней сохранял веру в существование механического эфира, несмотря на успехи релятивистской теории, которую он воспринимал лишь как отражение некоторых математических свойств уравнений Максвелла. По отношению к квантовой теории он довольно долго оставался в положении скептического наблюдателя и изменил мнение о ней лишь после того, как его сын Джордж Паджет Томсон на опыте обнаружил волновые свойства у электронов (за что был удостоен в 1937 Нобелевской премии).

Томсону принадлежит колоссальная роль в формировании большой международной школы физиков. «Он не был блестящим лектором в прямом понимании этого слова, но его лекции впечатляли кристальной ясностью, с которой он давал объяснения, а также красотой и простотой лекционных демонстраций», — так писал о нем физик Макс Борн, который... сам был его учеником в 1907 и на своем примере почувствовал все обаяние его личности».

В 1918 году Джозеф Томсон вышел в Кавендише в отставку, передав лабораторию Резерфорду, и возглавил Тринити-колледж (колледж Святой Троицы).