А.Н.Довбня, В.А.Шендрик

НИК "Ускоритель" ННЦ ХФТИ, Харьков, Украина

История электрона - это прежде всего история почти трехсотлетней дискуссии о природе электричества. "Скажите мне, что такое электричество, и я объясню Вам все остальное" - эти слова старейшины классической физики Вильяма Томсона не были броской фразой. Электричество было величайшей проблемой физики 19 века и именно открытие электрона привело к возможности ответить на вопрос В. Томсона.

История электрона начинается с гипотезы В.Франклина о существовании специфического электрического флюида или электрической жидкости, состоящей из маленьких невесомых частичек. Франклин первым (1749 г.) высказал мысль, что электричество представляет соб ойсвоеобразную материальную субстанцию. Для Франклина электричество - форма материи, центральную роль играет представление об атомистическом строении электрического флюида. В его работах впервые появляются термины: заряд, разряд, положительный заряд, отри цательный заряд, конденсатор, батарея, частицы электричества.

Представление о дискретной, зернистой структуре электричества было выдвинуто в самом начале 19 в. (И.Риттер, 1801 г.) и продолжало жить среди физиков-теоретиков, подддерживаемое успехами атомистики. Еще М.Фарадей ввел термин "ион" для носител ей электричества в электролите и предполагал, что ион обладает неизменным зарядом. Г.Гельмгольц (1881 г.) обратил внимание на такую концепцию Фарадея и показал, что она должна быть согласована с уравнениями Максвелла. В том же году Дж.Стоней рассчитал вп ервые заряд одновалентного иона при электролизе, а десятью годами позже, в 1891 г., в одной из теоретических работ предложил термин "электрон" для обозначения электрического заряда одновалентного иона при электролизе.

В теоритических работах В.Вебера, начатых в 1846 г., можно найти не только понятие атома электричества, но и гипотезу о том, что его движением вокруг материального ядра можно объяснить тепловые и световые явления. Этой идеей вдохновляется Г.Лоренц, дух овный отец теоретической физики 20 в., в своем классическом труде "Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах", который лег в основу электронной теории. Целью этой работы было связать теорию электричества с теорией оптических явлени й, добавив к теории Максвелла представление об ионах как единственных носителях электричества. Эта теория побудила голланского физика П.Зеемана к открытию (1896 г.) явления, носящего теперь его имя. На следующий год Лоренц, дав ему количественное объяснен ие, смог таким образом рассчитать удельный заряд электрона. В этом же году (1897 г.) Дж. Лармор выводит формулу о прецессии электрона в магнитном поле и предвосхищает будущее гипотезой о том, что атом представляет собой совокупность электронов, вращающихс я по круговым орбитам.

Введение в теорию термина "электрон" являлось пока чисто формальным актом. Понятие "электрон" и "ион" еще не связаны и не разграничены. Долгое время факт атомистичности рассматривается как свойство материи заряжаться опред еленными количествами электричества, а не как свойство самого электричества существовать в виде этих постоянных количеств. Пока никто не догадывается, что в природе существуют частицы с массой, меньшей массы атома. Электрон Стонея - просто порция заряда, она не была результатом прямого эксперимента.

Решающие успехи в открытии электрона как элементарной частицы вещества, элементарного количества электричества, или, говоря языком современной физики, кванте электрического заряда явились результатами исследований в совершенно новом направлении - экспе риментов с разрядной трубкой по исследованию газового разряда и в частности - катодных лучей. Заметим, что эксперименты с разрядной трубкой привели в 1895 г. к открытию рентгеновских лучей, а в 1896 г. - спонтанной радиоактивности.

С начала 80-х годов 19 в. отчетливо прослеживается развитие двух тенденций в подходе к проблеме катодных лучей (открыты в 1859 г. Ю.Плюккером, название дано Э.Гольдштейном). Немецкие физики, за редким исключением, единодушны в утверждении, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире - волновая гипотеза Гольдштейна; англичане, начиная с В.Крукса, считают, что они являются потоками частичек вещества. В 1895 г. французский физик Ж.Перрен экспериментально доказал, что катодные лучи - это поток отр ицательно заряженных частиц. Сторонники волновой теории не были обескуражены этим опытом. Они отнюдь не отрицают, говорили они, что катодом могут испускаться отрицательно заряженные частицы. Они отрицают лишь, что именно эти частицы и являются катодными л учами, т.е. теми особыми элементами, которые вызывают флуоресценцию стекла: пуля, вылетающая из винтовки, не имеет ничего общего со вспышкой света.

Факт отклонения в магнитном поле мало влияет на решение вопроса о природе катодных лучей. Согласно фарадей-максвелловским воззрениям, на эфир могут действовать магнитные силы.

Необходимы были строгие количественные эксперименты, которые дали бы возможность определить отношение заряда к массе - е/m для катодных лучей. То, что измерение величины удельного заряда явится решающим фактом, впервые осознал английский физик Джозеф Джон Томсон. С 1895 г. он начинает методическое количественное изучение отклонения катодных лучей в электрических и магнитных полях. Итоги своей работы Дж.Дж.Томсон резюмировал в большой статье, опубликованной в 1897 г. в октябрьском номере журнала " Philosophical Magazihe" (существо своих опытов и высказывание гипотезы о существовании материи в состоянии еще более тонкого дробления чем атомы Томсон изложил на вечернем заседании Королевского общества 29 апреля 1897 г. Извлечение из этого сообщени я было опубликовано в "Electrican" 21 мая 1897 г.). Опыты Томсона дали следующие результаты: скорость частиц, возрастающая по мере увеличения разрежения в трубке, чрезвычайно велика, значительно больше средней скорости, приписываемой, согласно ки нетической теории,молекулам остаточного газа в трубке (в одном из первых опытов 1897 г. Томсон нашел скорость равной 1/10 скорости света, но через десять лет он получил для нее значение 1/3 скорости света). Кроме того, эта скорость зависит от разности по тенциалов, которую проходит заряд. Значение е/m оказалось не зависящим ни от состава остаточного газа, ни от формы трубки, ни от материала электродов, ни от скорости лучей, если только она не близка к скорости света, ни от каких-либо иных физических парам етров. Другими словами, отношение е/m есть универсальная постоянная. Значение отношения е/m было порядка 10⁷ СГСЭ. Аналогичное отношение е/m было уже подсчитано для иона водорода из данных по электролизу; оно оказалось равным 10⁴ СГС Э. Дж.Дж.Томсон высказывает мнение, что катодные лучи представляют собой поток весьма малых частиц, движущихся со скоростями, близкими к скорости света, несущими такой же заряд, как и ионы Фарадея, но обладающими массой, которая в 1000 раз меньше массы са мого легкого атома, т.е. атома водорода.

Для достоверного вывода необходимо прямое измерение заряда одновалентных газовых ионов. Важность проблемы заставляет взяться за измерение заряда иона главу Кевендишской лаборатории.

Дж.Дж.Томсон впервые использует рентгеновские лучи в качестве орудия физического эксперимента. Задачу он формулирует так: "Определить величину электрического заряда, переносимого ионами, которые образуются, когда рентгеновское излучение проходит через газ".

Интересно отметить, что рентгеновское излучение было результатом исследования свойств катодных лучей. В свою очередь лучи Рентгена сыграли большую роль в изучении электронов, слставляющих катодный луч и в открытии спонтанной радиоактивности.

Эксперименты Дж.Дж.Томсона дали среднее значение заряда иона, равное 6,5 x 10^-10 СГСЭ. Этот результат и укрепил убеждение Томсона в существовании "материи в состоянии более тонкого дробления".

Заметим, что для того времени немаловажно было показать тождественность элементарных зарядов разного происхождения. Поэтому опыты с катодными лучами не решали проблемы, а были лишь первым шагом. Новые возможности открыли фотоэффект, спонтанная радиоакт ивность и термоэлектронная эмиссия.

Электрон - продукт синтеза суммы исследований, шедших различными, независимыми путями: Э.Вихерт, В.Кауфман, Ф.Ленард - в Германии, А.Шустер - в Англии, Симон - во Франции. Но львиная доля в этой сумме пренадлежит Дж.Дж.Томсону и его ученикам. Электрон - плод коллективных усилий. Но в этом коллективе Томсону принадлежит самое почетное место. Именно Дж.Дж.Томсона называют открывателем электрона, поскольку он считал, что электроны - составная часть атома, а не являются молекулами или ионами, как показали другие.

Несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный целыми национальными школами, электрон оставался гипотетической частицей. Не было ни одного опыта. в котором участвовали бы отдельные электроны. Ни один из опытов по изменению заряда эле ктрона не давал строго повторяющихся значений (молодой ассистент Г.А.Вишьсон в 1903 г. вынужден сообщить учителю Томсону, что 11 независимых измерений дали 11 различных результатов). Были скептики, которые вообще игнорировали открытие электрона . Академи к А.Ф.Иоффе в воспоминаниях о своем учителе В.К.Рентгене писал:"До 1906-1907 годов слово "электрон" не должно было произноситься в Физическом институте Мюнхенского университета. Рентген считал его недоказанной гипотезой, применяемой часто без достаточных оснований и без нужды".

Не доказано, что и на проводниках и на диэлектриках заряды состоят из электронов. Понятие "электрон" еще не имеет однозначного толкования, ибо эксперимент не раскрыл еще структуры атома.

Для перехода от веры к убеждению необходимо было прежде всего изолировать электрон, изобрести метод непосредственного и точного измерения элементарного заряда.

Такая задача по индивидуализации электрона была решена американским физиком Р.Милликеном в серии тонких экспериментов - метод капель в 1906-1913 гг.

Большую роль в укреплении мысли о реальности электрона сыграло открытие Ч.Вильсоном эффекта конденсации водяных паров на ионах, приведшее к возможности фотографирования треков частиц, т.е. к визуализации электронов.

Открытие электрона оказало кллосальное влияние на развитие современной физики.

Открытие электрона привело к раскрытию механизма излучения и поглощения электромагнитной энергии, механизма взаимодействия электромагнитных волн с веществом.

Электрон стал в наши дни фундаментом грандиозного здания электроники.

Электрон оказался не только объектом, но и средством излучения свойств материи. Наглядным примером этому является бурное развитие ускорительной техники.