Впоследствии, добиваясь взаимной компенсации отклонений с помощью одновременного наложения известных электрических и магнитных полей, Дж. Дж. Томсон сумел определить такую важную характеристику новых частиц, как отношение заряда к массе e/m. Именно эта величина, а не заряд и масса по отдельности, была доступна в то время прямому измерению. С этого момента и отсчитывается обычно дата открытия электрона и рождения всей физики элементарных частиц.
Конечно же, решение одной крупной задачи немедленно повлекло за собой постановку других задач, проясняющих ситуацию с новыми частицами. В этом смысле 1897 год — не более чем удобная и вполне разумно выбранная мемориальная вешка в биографии электрона. Достаточно сказать, что сам этот термин был придуман раньше и относился совсем к иному объекту. Англичанин Дж. Стони, тщательно исследовавший открытое М. Фарадеем явление электролиза, назвал электроном отрицательный заряд одновалентного иона еще в 1891 году. Поэтому в отношении новой частицы довольно долгое время существовала изрядная терминологическая неразбериха — ее отмечали в литературе и как «ион», и как «электрон», и как «корпускулу электричества» (последнее название употреблял сам «Джи-Джи»). Как ни странно, эта путаница оказывала заметное влияние на научные выводы ряда работ, но уже с первых лет нового века недоразумение было полностью устранено.
Примерно к тому же времени завершился цикл экспериментов Дж. Дж. Томсона, Ч. Вильсона, Р. Милликена по измерению заряда и массы электрона.
Так электрон окончательно вошел в физику, но отнюдь не для того, чтобы занять подходящий для легчайшей частицы вещества скромный дальний уголок, а с явными революционными намерениями, и действительно, примерно за десять-пятнадцать лет своего существования он полностью подорвал фундамент классической науки. Роль открытия электрона превосходно характеризуется следующим высказыванием английского ученого Г. Липсона: «Физика, да и вообще вся жизнь на Земле, теперь уже никогда не сможет быть такой, как до этого открытия».
Мы в определенной степени сумели убедиться, что открытие электрона длительный и многотрудный процесс, но он дает представление лишь об одном из путей к физике элементарных частиц. На самом деле у колыбели этой науки образовался целый оживленный перекресток. Сюда широкими столбовыми дорогами и узенькими, едва заметными тропинками стекались практически все главные трудности физики XIX века.
У перекрестка загадок
Лет сто назад в физике возник взрывообразный интерес ко всякого рода таинственным и загадочным излучениям и свечениям. Пышные прилагательные в этом предложении вовсе не дань возвышенному стилю и некоторой склонности к мистико-романтической образности, характерной для популярных корреспонденций тех времен. Наблюдалось, действительно, множество различных излучений: светился остаточный газ и флуоресцировала стеклянная колба в уже знакомых нам экспериментах с газоразрядной трубкой, красиво фосфоресцировали соединения урана, наконец, в 1887 году мир узнал, что «генератор Герца» излучает какие-то невидимые электромагнитные волны… Причем большинство из этих излучений не могли быть сколь-нибудь глубоко объяснены. Отсюда и вполне понятный ореол таинственности.
Однако «лучевой бум» оказался теснейшим образом связанным с результатами последнего пятилетия прошлого века. В самом конце 1895 года немецкий физик К. Рентген обнаружил, что из точки пересечения потока катодных лучей со стеклянной оболочкой трубки исходит странное излучение, вызывающее флуоресценцию ряда веществ и обладающее невероятной проникающей способностью. Открытие Х-лучей, как окрестил их сам К. Рентген, обессмертило его имя: он стал через шесть лет первым в истории лауреатом Нобелевской премии.
Сейчас мы настолько привыкли к рентгеновским лучам, рентгеновским установкам, наконец, к врачам-рентгенологам, что вряд ли способны представить современную медицину без всего этого. Кстати, исключительная популярность К. Рентгена и его работ — а он стал широко известен буквально через несколько месяцев после своего знаменитого доклада в Вюрцбургском университете — связана именно с чрезвычайно скорым прикладным использованием его метода в медицинских целях. Уже через год-два после открытия каждый, кто приходил на публичные демонстрации, которые охотно устраивали физики, мог полюбоваться контурами своего скелета. Разумеется, это было зрелище не для слабонервных, но оно в высшей степени подогревало общественный интерес к поиску новых явлений.
И открытия еще более удивительные и глубокие не заставили себя ждать. Всего через 4 месяца после обнаружения рентгеновских лучей французский физик А. Беккерель, достойный представитель научной династии Беккерелей (его дед, отец и сын также известные физики), что называется, обручился со счастливой случайностью. Настолько счастливой, что она стала чуть ли не хрестоматийным примером редкого везения.
Разумеется, дело не только в везении. А. Беккерель по давно установившейся семейной традиции тщательно изучал эффект фосфоресценции различных веществ. После достаточно длительной экспозиции на обычном солнечном свете некоторые вещества продолжали светиться (фосфоресцировать) и при переносе в темное помещение. Это явление было известно довольно давно и уже применялось на практике, например, в часах со светящимся циферблатом. Одним из самых лучших фосфоресцентов считалась двойная сульфатная калий-урановая соль, которая часто использовалась в экспериментах и А. Беккерелем.
Вскоре после появления первых сообщений об открытии всепроникающих рентгеновских лучей он решил проверить, не испускают ли фосфоресценты подобного излучения. С этой целью А. Беккерель начал выставлять на солнечный свет образцы урановой соли, расположенные на фотопластинках, тщательно обернутых непрозрачной бумагой. Образцы достаточно четко отпечатывались на пластинке, то есть проникающее излучение действительно существовало.
А. Беккерель был, несомненно, воодушевлен первыми успехами, но, по-видимому, уверовал, что найден новый способ получения рентгеновских лучей. Он с увлеченностью охотника, напавшего на верный след, ставил опыт за опытом, пока не столкнулся с одной досадной помехой. Однажды он готовил очередной эксперимент, но погода испортилась, и ему пришлось запереть все устройство в ящик письменного стола. Собранная схема предназначалась для изучения экранирующего действия металлов, в частности, между защищенной фотопластинкой и образцом урановой соли помещался небольшой медный крест. Примерно через сутки А. Беккерель установил, что пластинка безнадежно испорчена — на ней виден довольно четкий отпечаток креста. История умалчивает об этом, но я почему-то не сомневаюсь, что сразу после проявления фотопластинки А. Беккерель испытал некоторое раздражение. Еще бы Опытнейший 43-летний экспериментатор должен был позаботиться о ее сохранности. Ведь к этому времени многие (и он в том числе) знали, что прекрасные фосфоресценты — соли урана — обладают вредным побочным действием, портят фотопластинки. Я не сомневаюсь и в том, что чувство досады очень скоро уступило место восторгу истинного первооткрывателя. Ведь результат «эксперимента поневоле» позволял утверждать, что солнечное освещение было вообще ни при чем, а соли урана сами испускали некоторое излучение. Вскоре А. Беккерель убедительно показал — новое излучение связано только с урансодержащими веществами; все остальные образцы независимо от их фосфоресцентной способности никакого эффекта не давали.
Через несколько лет А. Беккерель и другие физики выяснили, что новое излучение обладает сложным составом из трех компонент: одна из них — альфа (a) — несет положительный электрический заряд и сильно поглощается в веществе, вторая — бета (B) — отрицательно заряжена и, как и третья, нейтральная — гамма (y) — компонента, обладает значительно большей проникающей способностью. Так в физику вошли представления об альфа-, бетаи гамма-излучениях, которые были расценены как прямые сигналы о превращениях, происходящих в самых глубинах атомного мира.
Забегая немного вперед, следует сказать, что альфа-излучение оказалось потоком атомных ядер гелия, состоящих из четырех элементарных частиц: двух протонов и двух нейтронов, а бета- и гамма-излучения — потоками элементарных частиц: быстрых электронов и жестких фотонов (квантов электромагнитного поля), соответственно. Они, действительно, были прямыми сигналами, но не из атомного, а из ядерного мира, представляющего в определенном смысле более глубокий уровень строения вещества.
Очевидно, физиков того времени не следует упрекать в неточности, ведь они не успели еще как следует разобраться в атомной структуре. Само слово «атом» зачастую употреблялось по отношению к иным объектам, например, как мы помним, электрон тоже называли «атомом электричества». В следующей главе вы увидите, что законы такого словоупотребления были связаны скорее с некоторой философской традицией, а не с особым физическим содержанием
