Томсон, Джозеф Джон: биография
Вскоре после этого другими сотрудниками лаборатории, включая Резерфорда и Зелени, была найдена абсолютная скорость ионов в воздухе под действием градиента потенциала, которая, как и предполагалось, оказалась пропорциональна приложенному напряжению.
Исследование катодных лучей, открытие электрона
После объяснения механизма газового разряда в условиях рентгеновского облучения Томсон обратился к более пристальному исследованию природы катодных лучей. Этот вопрос занимал его на протяжении многих лет, и он всегда был склонен к точке зрения, защищаемой Варли и Круксом, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц, исходящих из катода, в отличие от взгляда немецких физиков Гольдштейна, Герца и Ленарда, считавшими, что они являются проходящими в эфире волнами. На Томсона влиял в основном тот факт, что эти лучи отклонялись в магнитном поле в поперечном их движению направлении. Никогда до этого момента он не сомневался, что заряженные частицы были молекулами или атомами. Количественно измеряя магнитное отклонение, он начал сомневаться, надежна ли такая точка зрения, поскольку отклонение было существенно больше, нежели предсказывала эта гипотеза. Некоторые из вышеперечисленных исследователей искали электростатическое отклонение катодных лучей, но не обнаружили его в каких-либо столь же простых условиях. Томсон был склонен думать, что провал этих экспериментов объясняется проводимостью остаточного газа и, работая в условиях очень высокого вакуума, ему удалось получить электростатическое отклонение. Совмещая данные по электростатическому и магнитному отклонению, он смог получить скорость частиц в лучах и отношение их заряда к массе. Это значение оказалось отличным по значению от найденного для атомов водорода при электролизе. Предполагая, что заряд был одним и тем же в обоих случаях, из экспериментальных данных следовало, что масса частиц катодных лучей была очень мала по сравнению с массой атома водорода. Томсон приблизительно подтвердил это значение отношения массы к заряду калориметрическим измерением энергии, переносимой лучами, одновременно с передаваемым ими зарядом. В то время он ещё не был уверен в равенстве зарядов катодных частиц и атомов водорода при электролизе.
Следующим шагом было определение абсолютного значения заряда ионов получаемых в воздухе под воздействием рентгеновского излучения. Он сделал это, используя открытие Ч. Т. Р. Вильсона, что эти ионы могут выступать в качестве центров конденсации капель жидкости. Появилась возможность образовать облако, содержащее известное количество водяного пара и количество капель, равное количеству ионов. Из скорости осаждения капель возможно было рассчитать размер капель и их количество, и, таким образом, определить количество образующихся ионов. Зная их общий заряд, можно было определить заряд одного иона, который оказался равным 6,5•1010 Фр. Принимая значение абсолютного веса атома водорода из кинетической теории, оказалось вероятным, что значение заряда иона было равным заряду атома водорода в электролизе.
К этому моменту не было поставлено ни одного эксперимента, в котором бы можно было одновременно определить и заряд, и отношение массы к заряду частицы катодного луча. Томсон увидел возможность одновременного определения этих величин для частиц, уносящих отрицательный заряд при попадании ультрафиолетового излучения на цинк. Он разработал метод определения отношения массы к заряду для них и заряда одной частицы методом капельной конденсации. Цель эксперимента состояла в том, чтобы однозначно показать, что эти частицы имеют массу порядка одной тысячной от массы водорода, и заряд, равный заряду атома водорода в электролизе. Томсон в ранних публикациях называл эти частицы корпускулами, затем он стал использовать слово «электрон», которое было ранее использовано Джорджем Джонстоном Стони в значительно менее конкретном случае.
Далее Томсон продолжил детально развивать концепцию электронов как частиц, входящих в состав атома. Из заключения по эксперименту Баркла по рассеянию рентгеновского излучения воздухом и другими газами, он определил, что количество электронов в атоме зависит от атомного веса. Томсон предложил модель атома, который состоит из положительно заряженной сферы, в которой электроны находятся в стабильном статическом равновесии с их взаимным отталкиванием и притяжением к положительно заряженной сфере, и смог показать, что такая модель будет иметь периодические свойства, если электроны собираются в последовательные кольца по мере увеличения их числа. Модель Томсона дала, по существу, то же основание периодического закона, что и более продвинутые модели, основанные на ядре атома, которые были выведены Бором из спектральных данных. Томсон в дальнейшем пришел к концепции металлической проводимости с точки зрения движения свободных электронов в металле.
