Джозеф Джон Томсон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Джозеф Джон Томсон

Кудрявцев С.П.

ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСТВУ И МАГНЕТИЗМУ

В 1893 г. вышла из печати большая книга Томсона «Замечания о современных исследованиях по электричеству и магнетизму, служащие продолжением трактата по электричеству и магнетизму профессора Клерка Максвелла», в которой были обобщены многие исследования по электромагнетизму, проведённые Томсоном с начала своей научной деятельности. Среди них эксперименты по проверке положений теории Максвелла - определение отношения электростатических единиц к электромагнитной.

Мы уже отмечали, что теория Максвелла была встречена с недоверием многими физиками. Для её признания нужны были экспериментальные доказательства. Эксперименты по проверке отношения электростатических единиц к электромагнитной1 являлись «пробным камнем» максвелловской теории света. Согласно теории Максвелла, это отношение должно равняться скорости света. Для этого вывода у Максвелла были экспериментальные обоснования. Ему были известны результаты экспериментов по определению отношения электростатических единиц к электромагнитной известного немецкого физика Вильгельма Вебера (1804-1891), крупнейшего английского физика Уильяма Томсона (Кельвина) (1824-1907). Сравнивая их результаты с известным тогда значением скорости света, Масквелл писал: «Очевидно, что скорость света и отношение единиц являются величинами одного и того же порядка. Ни об одной из них нельзя сказать, что она до сих пор определена с такой степенью точности, которая позволяла бы нам утверждать, что одна величина больше или меньше другой. Следует надеяться, что в результате дальнейших опытов отношение между размерами этих двух величин будет установлено более точно».

Обращение Томсона к этим экспериментам было вызвано его желанием добиться более точных результатов. Ему удалось это сделать. Томсоновские результаты были наиболее точными из всех известных тогда результатов экспериментов по проверке отношения электростатических единиц к электромагнитной единице.

Конечно, эти исследования не были решающими в деле экспериментального доказательства теории Максвелла, но они безусловно содействовали укреплению её позиций. Напомним, что опыты Г. Герца и П. Н. Лебедева были основными экспериментальными доказательствами теории Максвелла. Герц получил электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, и доказал их полную тождественность световым волнам. Лебедев провёл тонкие эксперименты по измерению светового давления и показал, что оно соответствует теоретически рассчитанному Максвеллом.

Вернёмся, однако, к книге Томсона «Замечания о современных исследованиях по электричеству и магнетизму...». Уже само название книги показывает, что свои исследования в области электромагнетизма Томсон считал продолжением дела Фарадея-Максвелла. Первая часть этой книги посвящена истолкованию фарадеевских силовых трубок и уравнений Максвелла.

Во времена Фарадея общепринятой теорией, объясняющей явления электромагнетизма, была теория несоздаваемых и неуничтожимых электрических и магнитных жидкостей. Эта теория заключала в себе идею о мгновенной передаче действия на расстояние. Примером такой передачи действия может служить передача тяготения. Ньютоновская сила тяготения не зависела от свойств окружающего пространства, она была центральной и действовала мгновенно, каким бы большим ни было расстояние между взаимодействующими телами. Так же действовала и сила между электрическими зарядами - кулоновская сила. Схожий закон описывал и взаимодействие магнитных полюсов. Многих известных физиков и во времена Фарадея, и в последующие времена вполне устраивало взаимодействие на расстоянии. Французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836) свой электродинамический закон рассматривал как действие на расстоянии. Вебер на основе дальнодействующих сил искал закон, охватывающий все известные в его время электромагнитные взаимодействия. Известно, что с позиций дальнодействующих сил одно время пытался объяснить электромагнитные взаимодействия и такой известный учёный, как Г. Гельмгольц (1821-1894).

Идея взаимодействия на расстоянии нашла и своих противников, среди которых был выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791-1867). Фарадея глубоко заинтересовала роль среды во взаимодействиях. Начало изучению этой роли было положено им в исследованиях электромагнитной индукции, когда он ввёл предположение об особом «электротоническом» состоянии материи вокруг магнита или проводника, по которому протекал электрический ток. Развитие этой идеи привело Фарадея к понятию поля, способом выражения которого были силовые линии. Для количественных подсчётов взаимодействий Фарадей вводит понятие силовых трубок - трубчатых поверхностей, составленных из силовых линий.

Известно, что законы электромагнетизма Фарадей формулировал с помощью силовых линий и трубок. Его идеи получили развитие в трудах Максвелла, который не только придал им ясную математическую форму, но и значительно укрепил позиции сторонников близкодействия.

Томсон продолжает развивать понятия Фарадея о силовых линиях и трубках. Он использует их гораздо шире и полнее, чем это делал Максвелл. Как и у Фарадея, силовые линии у Томсона - это реальные образования. Он их сравнивал с молекулами в кинетической теории газов. Различные явления электромагнетизма Томсон объяснял движением фарадеевских трубок или изменением в их положении или форме. «Этот взгляд на электрические явления,- писал он,- может считаться образующим род молекулярной теории электричества, причём фарадеевские трубки занимают место молекул в кинетической теории газов... Точно так же эти трубки похожи на молекулы газа и в другом смысле, когда мы рассматриваем их как неспособные к разрушению или возникновению». Эта выдержка показывает, что с самого начала своей научной деятельности в области электромагнетизма Томсон встаёт на позиции электронной теории.

Томсон считал, что метод силовых линий и трубок Фарадея - это физический метод. «Этот метод,- писал он,- имеет все преимущества наглядности, вытекающей из использования конкретных величин вместо абстрактных символов... Им легко оперировать и потому он особенно пригоден для быстрого изучения основных особенностей проблемы; однако при детальной разработке аналитический метод (метод математических формул и символов.- С. К.) необходим. При исследовании какой-либо из различных областей электричества мы должны действовать в соответствии с предписанием Бэкона, что наилучшие результаты достигаются тогда, когда исследование начинается Физикой, а заканчивается Математикой».

Эта цитата, взятая из предисловия к книге «Замечания о современных исследованиях по электричеству и магнетизму...», определяет основную методологическую установку Томсона. При исследовании физических явлений он широко использует наглядный физический метод и умело сочетает его с математикой. При этом Томсон отводит большую роль конкретной наглядной модели явления.

Современная теоретическая физика не пошла по пути Томсона. Она отбросила наглядные физические модели явлений и заменила их математическим описанием. Но этот метод позволил Томсону сделать немало замечательных открытий и помогал ему в педагогической деятельности. Так, с помощью представлений о фарадеевских трубках Томсон объяснял максвелловский ток смещения. Необходимость введения этого наглядного представления при истолковании тока смещения возникла у него оттого, что студенты, которым он читал лекции по электродинамике, не понимали этого вопроса. Для них уравнения Максвелла были не более чем системой дифференциальных уравнений. Томсон объяснял ток смещения в диэлектрике разностью числа фарадеевских трубок, выходящих из произвольной единичной площадки, перпендикулярной направлению трубок, и числом трубок, входящих в эту площадку.

Фарадеевские трубки помогли Томсону и в объяснении движения заряженной сферы - математическом исследовании, опубликованном ещё в 1881 г. в «Трудах философского общества», из которого родилось важное открытие - понятие электромагнитной массы.

Рассуждения Томсона, приведшие его к этому результату, были следующими. Пусть равномерно движется заряженная сфера радиуса a. Если скорость сферы мала по сравнению со скоростью света, то фарадеевские трубки будут равномерно распределены по радиальным направлениям так, как если бы сфера была в покое. Они будут перемещаться вместе со сферой. Движущиеся трубки порождают магнитное поле, напряжённость которого H=evsinб/r2, а энергия в единице объёма мH2/8р, где м - магнитная проницаемость. Полная энергия магнитного поля равна:

?мH2dV/8р=мe2v2/3a

При движении сфера массой m обладает кинетической энергией mv2/2. К этой энергии следует добавить энергию магнитного поля:

W=mv2/2+мev2/3a=(m+2мe2/3a)v2/2

Таким образом, получается, что полная энергия равна кинетической энергии заряженной сферы, у которой масса стала m+2мe2/3a. Добавку 2мe2/3a назвали электромагнитной массой. «Это очень важный результат,- пишет Томсон,- так как он показывает, что часть массы заряженной сферы обязана своим происхождением её заряду». Томсон находит для этой электромагнитной массы простую механическую аналогию - движение сферы в жидкости без трения. Движущаяся сфера приводит в движение и окружающую её жидкость. Скорость жидкости пропорциональна скорости движения сферы, «так что, двигая сферу,- пишет Томсон,- мы должны приводить в движение не только вещество самой сферы, но и окружающую жидкость; в результате сфера ведёт себя так, как будто её масса увеличилась на некоторый определённый объём жидкости. Этот объём, как было показано Грином в 1833 г., равен половине объёма сферы...».

Итак, Томсон по-новому посмотрел на понятие массы тела. Оказывается, что при движении заряженных тел необходимо к обычной массе прибавлять массу, обусловленную магнитным полем. Из теории Томсона вытекало важное следствие, что дополнительная масса должна зависеть от скорости. В «Замечаниях о современных исследованиях по электричеству и магнетизму...» Томсон приходит к заключению, что при скорости заряженного тела, равной скорости света, дополнительная масса увеличивается до бесконечности, и, следовательно, «невозможно возрастание скорости заряженных тел, движущихся через диэлектрик, до скорости, большей скорости света». Это есть, по существу, релятивистский вывод о предельном значении скорости света, высказанный Томсоном задолго до Альберта Эйнштейна - творца теории относительности. Раньше Эйнштейна Томсон получил соотношение между электромагнитной массой и энергией E=mc2. Конечно, это не означает, что Томсон был одним из создателей теории относительности. Теория относительности - это не просто конкретные выводы о зависимости массы от скорости, постоянстве скорости света и т. д., а прежде всего новый взгляд на пространство и время. Томсон же, как мы знаем, до конца жизни заполнял пространство эфиром. Но безусловно, что результаты, полученные Томсоном, поставили перед физикой ряд вопросов, разрешение которых в конечном счёте способствовало пересмотру старых представлений о массе, импульсе, пространстве, времени.

Томсон показал, что для известных тогда заряженных микроскопических тел эффект электромагнитной массы ничтожен. Однако позже был открыт электрон, для которого электромагнитная масса играла существенную роль. Оказалось, что для этой частицы обычной массы нет, а вся масса - электромагнитная. Этот результат поставил физиков в трудное положение. Некоторые из них стали говорить о невыполнении закона сохранения масс, об «исчезновении материи». Мы ещё остановимся на вопросе о разрешении трудностей, вызванных открытием электромагнитной массы. Сейчас же отметим, что для Томсона открытие электромагнитной массы, зависимости её от скорости движения тел не вызвало затруднений в объяснении закона сохранения масс. Он считал, что электромагнитная масса распределяется в пространстве, окружающем заряженное тело, т. е., говоря современным языком, электромагнитное поле обладает вещественной массой. Тогда в системе «тело и электромагнитное поле» выполняется закон сохранения масс, поскольку в ней всякому изменению массы тела соответствует подобное изменение массы поля.

Понятие импульса в теорию электромагнитного поля ввёл также Томсон. Если вернуться к его примеру о движении заряженной сферы, то можно сказать, что вследствие движения такой сферы увеличивается не только её масса, но и импульс, и он будет не mv, а (m+2мe2/3a)v.

Введение Томсоном в теорию электромагнитного поля вектора импульса этого поля позволило ему спасти третий закон Ньютона и закон сохранения импульса от нарушений, которые наблюдались для тел, несущих заряды. Всякому изменению импульса заряженного тела соответствует такое же изменение импульса поля, т. е. выполняется закон сохранения импульса, а следовательно, и третий закон Ньютона.

Отметим, что опыты нашего замечательного русского физика П. Н. Лебедева по обнаружению светового давления убедительно доказали, что электромагнитное поле обладает импульсом. Получило экспериментальное подтверждение и теоретическое открытие Томсоном электромагнитной массы. Немецкий физик Вальтер Кауфман (1871-1947), начиная с 1901 г., провёл серию опытов по определению удельного заряда (e/m) в-частиц, испускаемых радиоактивными веществами. Он нашёл, что отношение заряда этих частиц к массе уменьшалось при возрастании скорости частиц. Предполагая, что заряд частиц остаётся постоянным, он получил, что масса частиц увеличивается со скоростью. Он также попытался определить, какая часть массы частиц относится к обычной массе, а какая - к электромагнитной, и пришёл к заключению, что вся масса имеет электромагнитное происхождение.

Этот вывод был подтверждён и дальнейшими исследованиями Томсона. Конечно, все эти результаты носили приближённый характер, поскольку прямой эксперимент не мог дать ответа на вопрос, какая часть массы частицы относится к обычной, а какая - к электромагнитной массе.

Итак, уже в своих ранних работах Томсон получил результаты огромной важности, вызвавшие коренную ломку привычных представлений.

Большинство исследований этого периода Томсон проводил в знаменитой Кавендишской лаборатории, организованной Дж. К. Максвеллом, дело которого Томсон продолжал в своих исследованиях. Максвелл и лаборатория Кавендиша сыграли особую роль в жизни Томсона, поэтому нам представляется важным рассказать об истории этой лаборатории.

АТОМ ТОМСОНА

Первыми исследованиями положительных лучей Томсон начал заниматься в 1906 г., а за два года до этого появилась его статья «Структура атома», в которой была описана по существу первая модель атома. В этой статье им были развиты идеи, высказанные в 1903 г. в книге «Электричество и материя».

Со времён Демокрита (ок. 460-370 гг. до н. э.), древнегреческого учёного, одного из основателей атомистики, атом понимался большинством учёных как неделимая частица - первооснова всего существующего в мире. Однако по мере развития науки взгляд на атом постепенно менялся. Так, английский учёный Вильям Праут (1785-1850) в 1815 г. высказал гипотезу, что атомы всех элементов построены из атомов водорода. Француз Жан Батист Андре Дюма (1800-1884) считал, что все атомы состоят не из водородного атома, а атома, в четыре раза меньшего. Открытие периодического закона выдающимся русским химиком Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) подтверждало мысль о сложном строении атома, указывало на общие свойства атомов различных элементов.

Некоторые учёные пытались раскрыть физическое содержание периодического закона, исходя из гипотез о структуре атома. Русский учёный, профессор Московского университета Борис Николаевич Чичерин (1828-1904), анализируя свойства химических элементов, также пришёл к идее о сложном строении атома. Другой русский учёный, революционер Николай Александрович Морозов (1854-1946) в Шлиссельбургской крепости, в которой он был заточён за революционную деятельность с 1882 по 1905 г., на основе периодического закона Менделеева пришёл к мысли о «составе атомов... из более мелких по своей массе скоплений первоначального вещества».

Ирландский учёный Джордж Джонстон Стоней (1826-1911), исходя из электромагнитной теории Максвелла и идеи дискретности заряда, в 1898 г. объяснял причину спектров орбитальным движением электронов в атоме.

Однако идеи этих учёных о сложном строении атомов были всего лишь гипотезами, смутными догадками, не опирающимися на экспериментальные доказательства. Открытия радиоактивности и электрона были как раз теми фактами, которые прямо говорили, что атом имеет сложное строение. Эти открытия дали новый толчок в разработке моделей атома.

Первой научной гипотезой о строении атома, опирающейся на новые открытия, была модель, предложенная Дж. Дж. Томсоном. Обращение к построению атома было вызвано открытием электрона, являющегося составной частью всех атомов. Кроме того, явление радиоактивности говорило о том, что оно зависит от «изменений, происходящих в атомах радиоактивных веществ». «Если это так,- писал Томсон,- то мы должны обратиться к проблеме строения атома и посмотреть, не можем ли мы объяснить замечательные свойства радиоактивных веществ. Поэтому не мешает рассмотреть, какое значение имеет существование корпускул для проблемы строения атома; и если даже модель атома, к которой нас приведут эти соображения, будет груба и несовершенна, то, может быть, она покажет нам пути исследований, которые могут дать нам новые сведения о строении атома».

В своей модели Томсон развивает теорию строения атома, предложенную в 1902 г. Уильямом Томсоном в статье «Эпинус атомизированный». У У. Томсона атом представляет собой сферу, равномерно заряженную положительным электричеством, в центре которой помещён электрон. Дж. Дж. Томсон опирается на эту модель и предлагает свою.

Модель Дж. Дж. Томсона представляла собой равномерно заряженную положительным зарядом сферу, в которой вращались или покоились электроны (корпускулы, как их называл Томсон). Поскольку атом в целом нейтрален, то общий заряд электронов равен положительному заряду сферы. Объём сферы гораздо больше объёма корпускулы. Электроны вращаются по круговым орбитам, расположенным на различных расстояниях от центра сферы, зависящих от скорости электронов. При некоторой скорости корпускулы достигают поверхности сферы, а дальнейшее увеличение скорости заставляет их покидать сферу. Это означает, что атом распался. Томсон заключает, что атом устойчив тогда, когда кинетическая энергия корпускул не превышает некоторой предельной величины. При движении корпускулы излучают энергию, при этом уменьшается их кинетическая энергия. Увеличение числа корпускул в атоме уменьшает излучение. Оно бы совершенно исчезло, если бы корпускулы «были расположены так тесно, что образовали бы непрерывное кольцо отрицательного электричества. Если бы то же число частиц двигалось вокруг в беспорядке, то излучение... было бы значительно больше». Явление радиоактивности, как считал Томсон, показывает, что в атоме могут происходить изменения. Далее он решает задачу о распределении корпускул в атоме.

Вначале Томсон рассматривает случай, когда электроны находятся в покое. Задача заключалась в том, чтобы найти такое расположение электронов в положительно заряженной сфере, при котором они находились бы в равновесии под действием сил притяжения со стороны сферы и сил отталкивания между собой. В случае одного электрона он получает простую комбинацию «атома Эпинуса»: два электрона располагаются в сфере по прямой линии, проходящей через центр. «При таком расположении,- пишет Томсон,- отталкивание ... вполне уравновешивается притяжением положительного электричества, и... равновесие будет устойчивое». Расстояние между электронами в этом случае равнялось радиусу сферы.

Для трёх электронов устойчивое равновесие достигается, когда они располагаются в вершинах равностороннего треугольника со сторонами, равными радиусу сферы, и с общим со сферой центром.

Для четырёх электронов устойчивое равновесие возможно, если они быстро вращаются. При отсутствии вращения устойчивое равновесие возникает, если электроны располагаются в вершинах правильного тетраэдра, центр которого совпадает с центром сферы.

«Задача о расположении внутри шара n корпускул,- пишет Томсон,- в таком общем виде весьма сложна, и мне не удалось разрешить её; мы можем, однако, решить задачу в том частном случае, когда корпускулы лежат в одной плоскости, проходящей через центр шара; из решения этой частной задачи мы можем вывести некоторые заключения о свойствах группировок, имеющие более общий характер».

Томсон нашёл, что при числе электронов больше 5 равновесие системы не будет устойчивым. Устойчивость в таком случае достигается при расположении электронов по кольцам.

Свой аналитический вывод расположения электронов в атоме Томсон проверил экспериментально с помощью метода, разработанного в 1879 г. американским физиком А. Н. Майером для других целей. Сущность его заключалась в следующем. В пробковые диски воткнуты одинаково намагниченные иголки. Пробки плавают в воде, над поверхностью которой помещён магнит, обращённый противоположным полюсом к полюсам иголок.

Иголки у Томсона выполняли роль корпускул, а магнит - роль заряженной сферы. Пуская поочерёдно пробки с иглами в воду, можно видеть, что три иглы располагаются в вершинах равностороннего треугольника, четыре - в вершинах квадрата, пять - в вершинах пятиугольника. Если пустить шесть игл, то пять располагаются в вершинах пятиугольника, а шестая игла будет уже располагаться в центре. Если пустить семь игл, то шесть из них расположатся в одном кольце, а седьмая -- в его центре.

Этот метод плавающих магнитов наглядно представлял размещение электронов в атоме и подтвердил аналитические расчёты Томсона. На возможность другой проверки расчётов Томсона указали опыты другого американского физика - Роберта Вуда (1868-1955). В его опытах вместо магнитных иголок использовались железные шарики, которые плавали в ртути и намагничивались благодаря индукционному действию большого магнита, помещённого между ними. Шарики отталкивались друг от друга и притягивались к внешнему магниту. При уравновешивании сил шары располагались так же, как иголки Майера.

Томсон применяет свою теорию к объяснению происхождения линейчатого спектра. томсон электрон импульс магнетизм

Его модель атома позволяла объяснять и химические закономерности элементов. В периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева вещества расположены в порядке возрастания атомных масс в несколько рядов, причём элементы, обладающие аналогичными свойствами, образуют вертикальные столбцы. Понятие химического элемента сводится к понятию об атоме. Поэтому теория строения атома должна объяснять закономерности в химических свойствах элементов. Размещение электронов по кольцам в модели Томсона обнаруживало сходство с вертикальными столбцами таблицы.

Известный русский химик Лев Александрович Чугаев (1873-1922) писал: «Атомы модели Томсона в их взаимоотношении действительно представляют многие черты, характеризующие периодическую систему. Правда, мы не находим ещё здесь полного подобия между действительностью и её теоретическим воспроизведением, но это не удивительно, так как Томсон простоты ради должен был сузить свою задачу, искусственно свести расположение электронов к одной плоскости...»

При объяснении периодической системы Томсон предположил, что атомная масса элементов пропорциональна числу электронов. И для него было очень важно определить действительное число электронов в атоме. В книге «Корпускулярная теория вещества» Томсон рассматривает три метода определения этого числа. Первый метод основан на рассеянии рентгеновских лучей веществом. Отсюда он определил, что число электронов в атоме равнялось атомному весу.

Второй метод Томсона определения числа электронов в атоме основывался на исследовании поглощения катодных лучей веществом. Томсон связал коэффициент поглощения катодных лучей с числом электронов в атоме поглощающего вещества. И в этом случае он пришёл к заключению, что число электронов в атоме равно атомному весу.

Третий метод Томсона определения числа электронов основывался на изучении дисперсии света при прохождении через одноатомный газ. И снова рассуждения Томсона привели к заключению, что число электронов в атоме примерно того же порядка, что и атомный вес.

Таким образом, в отличие от своих предшественников, которые предлагали модели атома, не основываясь на реальных фактах, Томсон строго обосновывал свою модель атома. Во-первых, он доказал, что в состав всех атомов входят маленькие отрицательно заряженные частицы - электроны. Во-вторых, он показал, как размещаются электроны по кольцам в атоме, что подтвердилось опытами Майера и Вуда. В-третьих, он обосновывал число электронов в атоме.

И всё же модель Томсона не была свободна от недостатков. Главным из них был вопрос о распределении положительного заряда в атоме, размерах положительно заряженной сферы. Томсон знал об этом слабом месте своей модели. В книге «Корпускулярная модель вещества» он писал: «В каком виде положительное электричество пребывает в атоме - это вопрос, относительно которого мы в настоящее время осведомлены весьма мало... За отсутствием определённых сведений о том, в каком виде положительное электричество находится в атоме, мы рассмотрим такое распределение положительного электричества, которое представляет собой случай, наиболее доступный для математического вычисления, именно - когда это электричество представляет собой шар постоянной плотности...» Для простоты Томсон предполагал, что электроны в его модели размещаются в одной плоскости. Эти слабости его модели проявились при объяснении различных физических и химических явлений. Так, томсоновская модель атома позволяла объяснить линейчатый спектр атомов, однако закономерности в спектрах не удалось объяснить. Не удалось полностью объяснить и периодическую систему, хотя, безусловно, модель Томсона обнаруживала сходство с законом Менделеева.

Модели атома Томсона был нанесен удар исследованиями Резерфорда и его учеников по рассеянию б-частиц. Суть этих исследований заключалась в следующем. Поток б-частиц, испускаемых радием, пропускался через маленькое отверстие в трубку с откачанным из неё воздухом. На небольшом расстоянии от отверстия находился сернистоцинковый экран. При ударе о него б-частиц получалось изображение светлого пятна. При закрывании отверстия тонкой металлической пластинкой изображение светлого пятна на экране несколько размывалось, т. е. б-частицы рассеивались веществом металлической пластинки. Изучение рассеяния показало, что небольшое число б-частиц (примерно 1/8000) отклонялось на угол больше 90°. Модель Томсона не допускала таких больших отклонений. Математический расчёт показывал, что такие большие отклонения могут происходить, если б-частицы попадают под влияние сильных электрических полей, существующих вокруг зарядов, сконцентрированных в очень малом объёме. Электрическое поле, создаваемое положительно заряженной, размытой по всему объёму атома сферой, не могло оказывать такого сильного влияния на б-частицу, и её столкновение с электроном не могло повлиять на траекторию движения, поскольку масса б-частицы почти в 8000 раз больше массы электрона. Поэтому Резерфорд приходит к выводу, что почти вся масса атома сосредоточена в положительно заряженном ядре. Вокруг него, как планеты вокруг Солнца, вращаются электроны.

Модель атома Резерфорда - это новый этап в развитии физики атома. Однако и она встретилась с трудностями, которые не могла разрешить. Так, согласно классической электродинамике, вращающиеся электроны в атоме Резерфорда должны излучать энергию и в конечном счёте упасть на ядро.

Томсон не мог принять планетарную модель, противоречащую законам классической физики. В то же время он не мог не признать и бесспорные факты, полученные Резерфордом при исследовании рассеяния б-частиц. И в 1913 г. Томсон, учтя исследования Резерфорда, приходит к новой модели атома. Теперь в его модели имеется ядро малых размеров, вокруг которого располагаются электроны. Сила взаимодействия между ядром и электронами у него уже не кулоновская. В остальном эта модель походила на первую.

Однако теория атома стала развиваться по другому пути, который наметил в том же 1913 г. замечательный датский физик Нильс Бор (1885-1962). Он взял за основу модель атома Резерфорда и дополнил её новыми идеями.

И всё же, несмотря на ограниченность, модель атома Томсона сыграла важную роль в развитии атомной теории. Его модель послужила источником многих идей как для учёных - современников Томсона, так и для физиков нашего времени. Безусловно, что многие его идеи были использованы Резерфордом и Бором при построении ими своих моделей атома, в частности идея распределения электронов по кольцам. Нильс Бор писал о модели атома Томсона: «Со времени знаменитой попытки Дж. Дж. Томсона истолковать периодическую систему на основании исследования устойчивости различных электронных конфигураций идея о разделении электронов в атоме на группы стала исходным пунктом и более новых воззрений. Предположение Томсона о распределении положительного заряда в атоме оказалось несовместимым с опытными результатами, полученными на основании изучения радиоактивных веществ. Тем не менее эта работа содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на дальнейшее развитие атомной теории».

И в наше время учёные обращаются к модели Томсона и находят ценные идеи для своих работ. Так, в современной модели ядра, так называемой оболочечной модели ядра, мы можем встретиться с кольцами Томсона, с этими первыми моделями оболочек; и пусть эти оболочки начинены в ядре не электронами, всё же идея размещения частиц по оболочкам впервые была высказана Дж. Дж. Томсоном.

ТОМСОН И «НОВАЯ ФИЗИКА»

В небольшой книге мы не смогли полно осветить многогранную деятельность Дж. Дж. Томсона. Томсон оставил после себя 13 монографий и более 200 печатных работ, в которых содержалось много ценных идей и которые сыграли большую роль в развитии физики. Мы рассказали о наиболее важных его работах, но даже этот короткий рассказ показывает, как много сделал Томсон для развития атомной физики и физики электронов, в разработке новых методов исследования заряженных частиц, в развитии динамических принципов механики и, наконец, в деле организации знаменитой международной школы физиков в Кавендишской лаборатории.

В заключение нам хотелось бы сказать несколько слов об отношении Томсона к так называемой «новой физике» - теории относительности и квантовой теории - и о его философских воззрениях.

Томсон прожил долгую жизнь. Он был свидетелем не только бурных политических событий и небывалого технического прогресса, но и расцвета и крушения классической физики. При его жизни появились электродинамика Максвелла, термодинамика, статистическая физика, электронная теория, атомная и ядерная физика. При его жизни появилась и так называемая «новая физика». Появление её означало коренную ломку привычных представлений физиков - крушение основ классической физики.

Томсон был типичным представителем «старой физики», хотя, как мы видели, он своими исследованиями способствовал рождению современной физики. Было бы интересно проследить, как же он принял новые теории. Но прежде скажем несколько слов об истоках этих теорий.

Классическая физика берёт своё начало в XVII в. и получает завершение в самом конце XIX в. Наиболее яркие страницы в её историю вписали такие учёные, как Ньютон, Фарадей, Максвелл. Основой классической физики, её краеугольным камнем было учение о непрерывности изменения. Однако в самом начале XX столетия оно было подвергнуто пересмотру открытием немецкого физика Макса Планка (1858-1947). К своему открытию он пришёл, изучая тепловое излучение абсолютно чёрных тел.

Известно, что если нагревать какое-нибудь тело, например кусок зачернённого железа, то оно начинает светиться, причём с увеличением температуры нагревания меняется и окраска свечения от темно-бурого цвета к жёлтому. По электромагнитной теории Максвелла, свет - это электромагнитная волна. Следовательно, согласно максвелловской теории, нагретое тело излучает электромагнитные волны. Для того чтобы уяснить механизм теплового излучения, многие физики пытались установить, как же распределяется энергия теплового излучения в зависимости от длин испускаемых волн и температуры. В качестве объекта излучения было взято абсолютно чёрное тело. Таким телом можно считать толстый слой сажи, чёрный бархат. Оно поглощает все падающие на него лучи и его излучение, как показал ещё в 1859 г. немецкий физик Густав Кирхгоф (1824-1887), не зависит от свойств вещества, из которого сделано чёрное тело. Всякие попытки физиков найти закон распределения энергии в спектре абсолютно чёрного тела на основе соображений классической физики, в частности термодинамики и электродинамики, приводили к неудаче.

Наконец в 1900 г. Планку удалось найти закон распределения энергии абсолютно чёрного тела. Основная задача теплового излучения была решена. При её решении Планку пришлось ввести гипотезу о том, что энергия излучения испускается не непрерывным потоком, как следовало бы из законов классической физики, а в виде отдельных порций - квантов энергии. Квант энергии равен E=hн, где h - постоянная, которую в честь Планка назвали его именем, н - частота.

Экспериментальная проверка подтвердила его закон.

Поначалу многие физики с недоверием отнеслись к идее квантования. Сам Планк пытался совместить свою теорию с классической физикой, но безуспешно. Известны попытки X. А. Лоренца, Дж. X. Джинса и Дж. Дж. Томсона ввести теорию излучения чёрного тела Планка в рамки классической физики, которые окончились неудачей.

Постепенно кванты Планка получали всё большее распространение. С их помощью было объяснено явление фотоэффекта. Квантовые представления вторгались в объяснение электропроводности металлов, в теорию строения атома. Новые идеи находили всё больше сторонников, особенно у физиков молодого поколения. Но у теории квантов было и много противников. Томсона нельзя отнести к врагам квантовых представлений. Его отношение к новой теории было таким же, как у большинства ведущих физиков его поколения. Томсон признавал успехи теории квантов, но старался совместить её с привычной для него классической физикой.

Он писал: «Закон Планка оказался неоценимым путеводителем для исследования и признан, я думаю, повсеместно. Но вы увидите, что тогда как он согласуется вполне естественно с корпускулярной теорией света, если мы предположим, что энергия, которой обладает каждая корпускула определённого вида света, равна кванту энергии света, он совершенно чужд волновой теории, которая предполагает сплошное, а не атомное распределение энергии. Положение таково, что все оптические явления указывают на волновую теорию, все электрические - на что-то вроде корпускулярной теории». Томсон попытался найти связь этих двух теорий, примирить квантовую теорию с классической электродинамикой Максвелла. Общим основанием такого примирения у него выступили силовые линии электрического поля, которые были для Томсона не просто способом графического изображения полей, а физическими реальностями. Свойства силовых линий напоминали свойства обычного материального упругого тела. Они обладали инерцией и, подобно растянутой пружине, упругим напряжением.

С помощью силовых линий Томсон создаёт модель светового кванта, представляющую кольцо, образованное замкнутыми силовыми линиями. Подробно мы не будем останавливаться на модели кванта Томсона из-за её сложности. Отметим только, что это кольцо двигалось у Томсона со скоростью света и не меняло при этом ни своих размеров, ни формы. Оно могло колебаться с частотой, обратно пропорциональной длине его окружности. Каждому кванту энергии соответствовало своё кольцо, причём все кольца различны по размерам. Волны малой длины, такие, как рентгеновские, имели малые квантовые кольца, а длинные, такие, как видимый свет,- большие. Значение постоянной в формуле для связи энергии и частоты у Томсона определялось отношением наружного радиуса кольца к внутреннему, и это число соответствовало постоянной Планка. Томсоновское кольцо позволяло объяснить и волновые свойства тела - интерференцию, дифракцию. Таким образом, с помощью представления об электрических силовых линиях Томсон попытался синтезировать классическую электродинамику с квантовой теорией.

Однако история физики показала несостоятельность попыток Томсона. Квантовая теория родилась тогда, когда классическая физика встала в тупик при попытках объяснения закономерностей теплового излучения тел. Потребовались новые понятия, несовместимые с представлениями классической физики, уходили в прошлое наглядные и понятные модели явлений классической физики. И всё же в попытках Томсона примирить классическую теорию с квантовой имелось рациональное зерно. Физики - сторонники квантовой теории - должны были, опровергая доводы такого авторитетного учёного, добывать новые факты в пользу этой теории, тем самым обогащая и развивая её. С другой стороны, в идеях Томсона содержались черты, которые также могли быть использованы в новой физике. Так, мы говорили (с. 73), что при исследовании рентгеновских лучей Томсон пришёл к понятию о прерывном (квантовом) характере волнового фронта, предвосхищая будущие квантовые идеи Эйнштейна.

Следует сказать, что Томсон оставил свои попытки связать классическую физику с квантовой теорией и изменил к ней отношение после того, как его сын Джордж Паджет Томсон (1892-1975) в 1927 г. открыл дифракцию электрона и тем самым подтвердил волновой характер движения электрона2.

Обратимся к теории относительности. Она возникла из исследований оптических явлений и изучения вопроса о влиянии движения тел на эти явления, из попыток обнаружить движение Земли относительно эфира.

На принципиальную возможность обнаружения движения Земли относительно эфира указывал ещё Максвелл, но он считал, что чувствительность прибора для улавливания этого эффекта должна быть очень высокой, порядка 10-8, и вряд ли возможно создать прибор, обладающий такой чувствительностью. Однако в 1881 г. американский учёный Альберт Майкельсон (1852-1931) сконструировал такой точный прибор (знаменитый интерферометр Майкельсона) и первый эксперимент с ним попытался провести в Берлинской лаборатории Гельмгольца. Однако сотрясения здания лаборатории, расположенной на оживленной улице, мешали работе интерферометра, и Майкельсон перевозит свой прибор в обсерваторию города Потсдама. Опыты, проведённые здесь, дали отрицательный результат: никакого относительного движения Земли и эфира обнаружить не удалось. В 1887 г. Майкельсон совместно со своим соотечественником, профессором химии Эдуардом Морли (1838-1923) ставит новый эксперимент и вновь получает отрицательный результат.

Это было совершенно непонятно. Многие известные физики считали, что эфир неподвижен и, следовательно, движение Земли относительно эфира должно быть обнаружено. Сам изобретатель интерферометра решил, что надо отказаться от гипотезы неподвижного эфира и принять предположение о полном увлечении эфира движущимся телом.

В 1890 г. гипотезу полностью увлекаемого эфира развил замечательный немецкий физик Генрих Герц. Она хорошо объясняла отрицательный результат опыта Майкельсона, однако была не в состоянии объяснить другие явления в оптике движущихся тел, в частности аберрацию света.

Аберрация (по-латински «уклонение») была открыта в 1728 г. английским астрономом Джеймсом Брадлеем (1693-1762). Он заметил изменение положения неподвижных звёзд с периодичностью в год. Брадлей объяснил это явление, исходя из представлений о конечности распространения света и годичного движения Земли вокруг Солнца. Если наблюдать в телескоп свет от звезды, падающий на поверхность Земли под некоторым углом, то за время, пока свет проходит через зрительную трубу телескопа, Земля вместе с ним перемещается. Чтобы свет от звезды был в центре поля зрения телескопа, его надо повернуть на некоторый угол по направлению движения Земли.

Голландский учёный Хендрик Лоренц считал, что эфир неподвижен. В 1892 г., объясняя отрицательный результат опыта Майкельсона, он предположил, что тела, движущиеся в эфире, сокращают свои размеры в направлении движения на

l=l0(1-v2/c2)1/2

где l0 - длина тела, покоящегося относительно эфира, v - скорость тела относительно эфира, с - скорость света. Так появилось знаменитое сокращение Лоренца. Отметим, что другие важные релятивистские эффекты были получены Томсоном ещё в 1881 г. - это зависимость массы от скорости движения тел, предельное значение скорости света и связь массы и энергии. Продолжая развивать свои взгляды на оптические и электромагнитные явления в движущихся телах, Лоренц, по существу, приблизился к утверждению принципа относительности для электромагнитных явлений. Как мы знаем, в механике такой принцип был введён Галилеем. Он гласил, что никакими механическими опытами невозможно установить, покоится данная система или движется равномерно и прямолинейно. Лоренц высказал предположение, что никакими мыслимыми опытами невозможно обнаружить относительное движение Земли и эфира. По существу, это есть обобщение принципа относительности в механике на электромагнитные явления. Однако у Галилея явления происходили одинаково в любой из систем, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно, в то время как Лоренц признавал только неподвижную систему (неподвижный эфир).

Впервые принцип относительности для любых физических явлений был введён французским учёным Анри Пуанкаре (1854-1912). Он показал, что не только в неподвижной, но и в любой другой системе отсчёта, движущейся равномерно и прямолинейно, законы физических явлений будут одинаковыми. Однако к такому заключению он пришёл, исходя из представлений классической физики и гипотезы неподвижного эфира.

Принцип относительности стал фундаментом теории относительности, созданной Альбертом Эйнштейном (1879-1955). Но его теория потребовала коренной ломки представлений о пространстве и времени.

Ещё Ньютон, формулируя свои законы механики, ввёл понятия абсолютного пространства - пустого, неподвижного и однородного, являющегося «вместилищем всех тел», и абсолютного времени, текущего равномерно, само по себе. Движение относительно абсолютного пространства считалось абсолютным. Позже физики заполнили пустое пространство Ньютона эфиром и искали абсолютное движение Земли относительно неподвижного эфира.

Итак, в основных чертах представления Ньютона об абсолютном пространстве и времени не менялись в физике вплоть до Эйнштейна. Создатель теории относительности подверг критике ньютоновские понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. В его теории эти понятия относительны, размеры тел и промежутки времени зависят от скорости движения тел. Не осталось в теории Эйнштейна места и для эфира. Свою теорию Эйнштейн назвал специальной теорией относительности. Она относилась к инерциальным системам отсчёта. Позже Эйнштейн разработал и общую теорию относительности, которая имела отношение и к системам отсчёта, движущимся ускоренно.

В нашу задачу не входит рассмотрение основных положений теории относительности3. Нас интересует, как встретил Томсон появление этой теории.

В книге «Размышления и воспоминания» Томсон писал: «Результаты, возникающие из принципов относительности, были удивительны и объяснение их Эйнштейном было великолепным...» Он вспоминал, что теория относительности возбудила интерес к ней и учёных, и широкой публики. Лекции по этой теории собирали огромную аудиторию, книги мгновенно раскупались. В среде аристократов и церковников стало модным поговорить о теории относительности. Церковники считали, что эта теория имеет прямое отношение к религии, поскольку в ней было много таинственного. Они обращались к Томсону с просьбой сказать свое мнение о взаимоотношении теории относительности и религии. Томсон отвечал, что «эта теория ничего общего с религией не имеет». Сам он как физик восхищался мастерством Эйнштейна-математика, но считал его теорию не такой фундаментальной, как уравнения Максвелла, из которых можно получить все те конкретные результаты, которые были получены в теории Эйнштейна,- зависимость массы от скорости, связь массы и энергии, сокращение длины тел, замедление времени и т. д. Томсон считал, что у Эйнштейна «много говорится о пространстве и ни слова не говорится об эфире, хотя, по существу, пространство должно обладать качествами, которые мы приписываем эфиру».

До конца жизни Томсон верил в существование эфира и строил бесчисленные его модели. Он писал: «Эфир - не просто создание спекулятивного философа, он для нас так же необходим, как воздух, которым мы дышим. Мы должны помнить, что живём на Земле не за счёт собственных источников энергии, мы ежеминутно зависим от того, что получаем от Солнца, а дары Солнца доставляются нам эфиром».

Что касается общей теории относительности, то Томсон признавался, что «эта теория требует весьма сложной и трудной математики», которую он не понимал. Однако Томсон отдавал должное мастерству, с которым Эйнштейн решал задачи «трансцендентной трудности».

В заключение скажем несколько слов о философских взглядах Томсона. Он стоял на позициях стихийного материализма. Материализм Томсона особенно проявил себя в период так называемого «кризиса в физике», когда революционные открытия конца XIX - начала XX в. привели некоторых учёных к идеализму. Среди этих открытий были открытия Томсоном электрона, электромагнитной массы и зависимости этой массы от скорости. Некоторые учёные-физики высказывали мысль об исчезновении реальной или механической массы тел; об «исчезновении материи», о «подрыве» основ механики и т.д.

В чём же причина таких неверных представлений некоторых учёных? Ещё Ньютон в своей механике определял массу как меру количества материи. Причём под количеством материи он понимал количество однородных атомов, из которых состоят тела. Ньютон показал и способ определения массы. Она пропорциональна весу тела и определять её можно с помощью весов.

В 1881 г. Томсон установил, что для заряженных тел, кроме обычной ньютоновской массы, существует ещё электромагнитная масса. Расчёт Томсона показывал, что электромагнитная масса становится заметной для микроскопических тел. В 1897 г. Томсон открыл электрон, самую малую из известных тогда частиц, входящую в состав атомов всех веществ. Механическая масса электрона оказалась равной нулю, вся его масса была электромагнитной. Так как все тела состоят из электронов и протонов, масса которых также электромагнитного происхождения, рассуждали эти учёные, значит, обычной массы, или массы покоя, у них нет, а есть только электромагнитная масса. Но эта масса не могла быть мерой количества материи, так как она изменяется в зависимости от скорости тела. Это и побудило некоторых учёных говорить об «исчезновении материи».

В. И. Ленин в своём гениальном труде «Материализм и эмпириокритицизм» подверг глубокому анализу этот так называемый «кризис физики» и показал физикам, как надо ориентироваться в сложном мире естественнонаучных открытий.

Вот как разрешил В. И. Ленин проблему «исчезновения материи»: «Материя исчезает» - это значит исчезает тот предел, до которого мы знали материю до сих пор, наше знание идёт глубже; исчезают такие свойства материи, которые казались раньше абсолютными, неизменными, первоначальными (непроницаемость, инерция, масса и т. п.) и которые теперь обнаруживаются, как относительные, присущие только некоторым состояниям материи. Ибо единственное «свойство» материи, с признанием которого связан философский материализм, есть свойство быть объективной реальностью, существовать вне нашего сознания»4.

В. И. Ленин показал учёным, впавшим в мистицизм и идеализм, что нет «никакого исчезновения материи». Электромагнитная масса так же материальна, как и обычная ньютоновская масса, ибо она существует независимо от нашего сознания. «Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна...»5 Гениальное предвидение Ленина о неисчерпаемости электрона подтверждается последними открытиями в физике.

Следует отметить, что, анализируя состояние в физике, вызванное революционными открытиями, В. И. Ленин изучал ряд трудов по физике. Среди них была книга Томсона «Корпускулярная теория материи». В этом труде чётко прослеживаются твёрдые материалистические убеждения автора. Электромагнитная масса Томсона так же материальна, вещественна, как и ньютоновская. Эта масса распределяется в поле, окружающем заряженное тело, т. е. электромагнитное поле у Томсона материально. Как мы знаем, Томсон установил, что оно обладает одной механической величиной - импульсом. В то время как некоторые учёные говорили о нарушении основных положений механики (закона сохранения масс, сохранения импульса, третьего закона Ньютона и т. д.), утверждали невозможность познания мира, Томсон овеществил электромагнитное поле и показал, как объяснять кажущиеся нарушения законов механики для электромагнитных явлений.

Томсон высказывал мысли о сложном строении электрона, о бесконечности научного исследования. В одной из своих лекций, опубликованной в книге «По ту сторону электрона», Томсон писал: «В этой лекции я пытался показать, что свойства электрона, обнаруженные позднейшими открытиями, ведут к взгляду, что электрон не является предельным этапом в строении материи, но что он сам обладает структурой, состоя из мелких частей, несущих электрические заряды...»

Отвечая на вопрос, следует ли идти за пределы электрона, он сказал: «Очарование физики в том и состоит, что в ней нет жёстких и твёрдых границ, что каждое открытие не является пределом, а только аллеей, ведущей в страну, ещё не исследованную, и сколько бы ни существовала наука, всегда будет изобилие нерешённых проблем, и физикам никогда не будет опасности стать безработными».

Этими словами мы и закончим рассказ о замечательном учёном.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Сейчас в физике стала более употребительна система единиц измерения СИ, в которой основные законы электромагнетизма записываются в рационализированном виде. Постоянная, характеризующая отношение электростатических единиц к электромагнитной, в СИ не употребляется.

2 Отметим, что, независимо от сына Томсона, в том же году дифракцию электронов открыли американские физики К. Дэвиссон (1881-1958) и Л. Джермер (1896-1971).

3 Подробнее об истории создания теории относительности Эйнштейном см.: Спасский Б. И. Физика в её развитии. М., Просвещение, 1979; Кудрявцев П. С. Курс истории физики. М., Просвещение, 1982.

4 Ленин В. И. Материализм и эмпириокритицизм.- Полн. собр. соч., т. 18, с. 275.