Получив должность профессора в Кавендише, Томсон начал изучать электрические разряды в вакуумной трубке. Наиболее знакомый нам разряд — это молния, но ее трудно использовать для опытов! Еще в XVIII веке заметили, что можно создавать мощные разряды в стеклянной трубке, из которой откачан воздух. Цвет разрядов зависит от того, какой газ содержится трубке; это используют в неоновой рекламе и для других целей.

Генрих Гейсслер (1814–1879) изобрел насос, способный уменьшить давление газа внутри трубки до одной тысячной доли атмосферы. Используя такой насос, Юлиус Плюккер (1801–1868) изготовил разрядную трубку и подсоединил ее к мощному источнику электрического напряжения. Свечение в трубке прекратилось, за исключением окрестности отрицательного электрода (катода), как если бы некоторые частицы, выброшенные из катода, были причиной свечения. После этого они пролетали по трубке и собирались на положительно заряженном электроде. Эуген Гольдштейн (18501930) продемонстрировал, что материал, из которого изготовлен катод, не имеет никакого значения: следовательно, катодные лучи не являются атомами, вырванными из катода.

Плюккер показал, что катодные лучи можно отклонить, используя магнит, то есть это должны быть заряженные частицы. Затем Томсон, пропуская частицы через магнитное или электрическое поле, научился менять направление их полета. Дальше он позволил потоку частиц двигаться свободно, вплоть до столкновения с противоположным концом трубки (рис. 16.6). Измеряя расстояние точки столкновения от центральной оси трубки, Томсон смог вычислить как скорость, так и отношение массы к заряду частиц. Подобный поток частиц возникает и в телевизионной трубке, где поток катодных лучей быстро бегает по экрану, создавая изображение. В телевизионной трубке для управления пучком катодных лучей используется электрическое поле.

Рис. 16.6. Схема эксперимента Томсона. Частицы вылетают из катода С. Их поток отклоняется от прямолинейной траектории полем, созданным пластинами D u E. (Из публикации Томсона 1897 года.).

В своей статье, напечатанной в Philosophical Magazine («Философский журнал») в 1897 году, Томсон привел вычисления, доказывающие, что скорость катодных лучей составляет около 10 % скорости света, а отношение массы к заряду электрона близко к 10^-11 кг/Кл. Предположим, что ионы водорода и катодные лучи имеют одинаковый заряд. Поскольку отношение массы к заряду у иона водорода составляет 10^-8 кг/Кл, масса заряженных частиц катодных лучей не может быть больше 1/1000 массы иона водорода (современное значение: 1/1840). Томсон делает вывод:

«В катодных лучах мы имеем вещество в новом состоянии — состоянии, в котором дробление вещества зашло намного дальше обычного газообразного состояния; в состоянии, в котором все вещество… стало субстанцией одного и того же сорта; той самой субстанцией, из которой сформированы все химические элементы».

К его результатам вначале отнеслись с недоверием, но последовавшие за этим эксперименты подтвердили существование электрона. Томсон и его коллеги измерили заряд электрона: 10^-10 Кл. Теперь мы знаем более точное значение 1,602 х 10^-19 Кл. При современном значении отношения массы к заряду 0,57 x 10^-11 кг/Кл мы можем сделать вывод, что вес электрона составляет всего 9 x 10^-28 г. Атом водорода примерно в 1840 раз тяжелее.

Заряд электронов отрицательный, но атомы, которые, очевидно, включают в себя электроны, нейтральны. Значит, где-то в атоме должен быть положительный заряд, чтобы нейтрализовать отрицательные электроны. Следующей задачей стало определение того, где внутри атома расположен положительный заряд. Томсон предложил модель «булочки с изюмом», согласно которой положительный заряд заполняет весь атом, а электроны в нем как изюминки в булочке. Японский ученый Хантаро Нагаока (1865–1950) предположил, что в середине атома находится положительно заряженная частица, вокруг которой обращаются более легкие электроны, как планеты вокруг Солнца. В обоих случаях притяжение между положительным и отрицательным зарядами удерживает электроны в атоме.

Выяснить, какая из этих двух моделей верна, выпало Эрнесту Резерфорду. Он вырос в Новой Зеландии и приехал учиться в Кавендишскую лабораторию в 1895 году. Через три года он стал профессором в университете Мак-Гилла, в Канаде, где и работал до 1906 года. Затем он перебрался в Манчестер, который был одним из ведущих центров физических исследований. Там он занялся изучением структуры атома. В 1919 году Резерфорд вернулся в Кавендишскую лабораторию, став ее директором (рис. 16.7).

Рис. 16.7. (а) Анри Беккерель (1852–1908) и (б) Эрнест Резерфорд (1871–1937).

После приезда в Кембридж Резерфорд занялся исследованием радиоактивности, открытой еще в 1896 году Анри Беккерелем в Париже. Пытаясь вызвать рентгеновское излучение у различных материалов, Беккерель выставлял их на солнце. Одним из этих материалов оказалось соединение урана. Этот образец даже без предварительного облучения на солнце «засветил» фотографическую пластинку, которая тоже лежала в темноте. Уран испускал какие-то лучи! Через несколько лет Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри, терпеливо переработав тонну урановой руды (урановой смолки) в своей скромной парижской лаборатории, открыли элемент радий. Он излучает в миллионы раз сильнее урана (рис. 16.8). Резерфорд обнаружил три типа радиоактивных лучей и назвал их альфа-лучами, бета-лучами и гамма-лучами. Они дали ключ к атомному ядру. Как мы уже знаем, гамма-лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение; а что такое альфа-лучи и бета-лучи?

Беккерель измерил у бета-лучей отношение массы к заряду и обнаружил, что у этих отрицательно заряженных частиц оно такое же, как у электронов. Следовательно, бета-лучи — это электроны, испущенные радиоактивным веществом. Резерфорд сумел измерить и отношение массы к заряду у положительно заряженных альфа-частиц. Оказалось, что оно вдвое больше, чем у положительного иона водорода. Если заряд альфа-лучей составляет одну единицу, то их масса должна вдвое превышать массу атома водорода. Но Резерфорд сделал правильный вывод, что заряд альфа-частиц составляет две единицы, а это приводит к четырем единицам атомной массы. Значит, альфа-частицы — не что иное, как ионизованные атомы гелия. Это подтвердили коллеги Резерфорда по университету Мак-Гилла — Уильям Рамзай (1852–1916) и Фредерик Содди (1877–1956), обнаружившие гелий, выделяющийся из соединения радия.

Рис. 16.8. Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) и Пьер Кюри (1859–1906).

В своем исследовании 1903 года Резерфорд и Содди объяснили радиоактивность: это процесс, в котором один химический элемент превращается в другой. Когда атом излучает альфа-частицу, его атомный номер в периодической таблице уменьшается на два, а если он излучает электрон, его атомный номер увеличивается на единицу. Это была радикальная идея: с эпохи смерти алхимии постоянство элементов никогда не подвергалось сомнению. Это считалось базовой аксиомой — элементы не могут ни возникать, ни разрушаться. Но предположение Резерфорда и Содди было основано на точных измерениях, показавших, что независимо от внешних условий радиоактивный элемент всегда одинаковым путем превращается в другой элемент. Например, радиоактивный торий превращается в газ радон, который сам радиоактивен. Но активность радона быстро снижается: через 1 минуту она составляет уже половину, через 2 минуты — одну четверть, через 3 минуты — одну восьмую, и т. д. Резерфорд и Содди показали, что это связано с распадом самого радона: за минуту распадается половина исходного газа, за следующую минуту распадается половина от оставшегося газа, и т. д. Можно сказать, что радон имеет время полураспада, равное одной минуте (точнее — 54,5 секунды). Время полураспада сильно меняется от одного радиоактивного вещества к другому. Оно составляет 1600 лет у радия, 1,4 x 10¹⁰ лет у тория и 4,5 x 10⁹ лет у урана. Распадом радиоактивных элементов пользуются для определения возраста. Мы вернемся к этому вопросу при обсуждении возраста Земли (см. главу 29).