Математик приходит в физику


с. 1
ТОМСОН (Thomson) Джозеф Джон (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 удельный заряд. Предложил (1903) одну из первых моделей атома. Один из создателей электронной теории металлов. Нобелевская премия (1906).

Математик приходит в физику

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 г. И тогда неожиданно для многих Томсон, двадца­тивосьмилетний математик, только начинавший экспериментальные иссле­дования, был избран кавендишским профессором и директором лаборатории. Будущее показало, что этот выбор оказался весьма удачным.

Начало экспериментов

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 г. 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 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 г. Нобелевской премии.



Модель атома

В том же 1897 году, когда было зарегистрировано открытие электрона, 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, Э. Ре-зерфордом 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, Томсон пришел к формуле, носящей его имя и описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах. Эта формула и по­ныне играет важную 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.



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 г. 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 Макс Борн, который... сам был его учеником в 1907 г. и на своем примере почувствовал все обаяние его личности». В 1918 г. Томсон вышел в Кавендише в отставку, передав лабораторию Резерфорду, и возглавил Тринити-кодледж (колледж Святой Троицы).

В. И. Григорьев
с. 1

скачать файл