Английский физик Джозеф Джон Томсон вошел в историю науки как человек, открывший электрон. Однажды он сказал: «Открытия обязаны остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех противоречий, сопутствующих пионерской работе».

Его сын писал, что «вряд ли существовал человек, с которым Томсон не сумел бы найти общего языка, или темы, по которой бы он не высказывал новые или хотя бы своеобразные взгляды».

Позднее сам Джозеф Томсон вспоминал:

«Я родился в Четеме, пригороде Манчестера, 18 декабря 1856 года. И время, и место были весьма удачны, ибо это был один из самых интересных периодов мировой истории. Монархии падали одна за другой, их сменяли республики, а иной раз – диктатуры. Открытия и изобретения производили все большие изменения в жизни общества.

Когда я был маленьким мальчиком, в нашем городе не было ни велосипедов, ни автомобилей, ни аэропланов, ни электрического освещения, ни телефонов, ни радио, ни граммофона, ни электротехники, ни рентгеновских снимков, ни кино, ни микробов – по крайней мере, доктора их не находили…»

Его отец, торговец книгами, очень любил читать об изобретениях и открытиях. Его мечтой было выучить сына на инженера.

В четырнадцать лет Джозеф поступил в Оуэнс‑колледж. Здесь Томсон получил университетское образование. Его учили такие замечательные педагоги‑ученые, как физик Б. Стюарт, химик Г. Роскоу, математик Т. Баркер, физик и инженер О. Рейнольдс.

Лекции Стюарта по элементарной физике Томсон считал «притягательными и ясными», а его лекции о законах сохранения энергии заставили юношу задуматься о том, нельзя ли все различные виды энергии свести к одной – кинетической. Раздумья вылились в статью, опубликованную в «Трудах Королевского общества».

Отец не успел порадоваться успехам сына: он умер в 1872 году. Семья осталась практически без средств к существованию. В 1876–1880 годах Джозеф учился в Кембриджском университете в знаменитом колледже Святой Троицы (Тринити‑колледж). К счастью, талантливому юноше помог стипендиальный фонд, установивший Джозефу денежное довольствие.

В январе 1880 года Томсон успешно выдержал заключительные экзамены и начал работать в Кавендишской лаборатории[1]. В том же году появилась статья, посвященная электромагнитной теории света. В следующем году появились две работы, из которых одна положила начало электромагнитной теории массы. Статья называлась «Об электрических и магнитных эффектах, производимых движением наэлектризованных тел». В этой статье выражена та мысль, что «эфир вне заряженного тела является носителем всей массы, импульса и энергии». С увеличением скорости изменяется характер поля, в силу чего вся эта «полевая» масса возрастает, оставаясь все время пропорциональной энергии.

С 1883 года Томсон читал лекции в Тринити‑колледже по электричеству и магнетизму и динамике твердого тела. Лекции Томсона высоко ценились его студентами. Один из его учеников, Х. Невалл, отмечал: «Его лекции были ценны как в математическом отношении, так и в области экспериментальной физики. Быстрота и точность, с которой он оперировал математическими знаками, была поразительной». Знаменитый Нильс Бор писал: «Дж.Дж. Томсон поистине большой человек! Я невероятно много почерпнул из его лекций…»

Научные успехи Томсона были высоко оценены директором лаборатории Кавендиша – Рэлеем. Уходя в 1884 году с поста директора, он, не колеблясь, рекомендовал своим преемником Томсона. Для самого Джозефа его назначение было неожиданностью.

С 1884 по 1919 год (когда его сменил на посту директора лаборатории Резерфорд) Томсон руководил лабораторией Кавендиша. За это время она превратилась в крупный мировой научный центр, в международную школу физиков. Многие ученики Томсона стали крупными учеными. Завершая в конце жизни книгу своих воспоминаний, Томсон перечислял среди своих бывших докторантов 27 членов Королевского общества, 80 профессоров, успешно работающих в 13 странах. Пятеро его учеников – Ч. Баркла, Г. Брэгг, Ч. Вильсон, Э. Резерфорд, О. Ричардсон – стали нобелевскими лауреатами.

В ноябре 1889 года Томсон познакомился с милой и изящной Розой‑Элизабет Пэйджет, которая присутствовала на его демонстрационных опытах. Он посылал ей «пылкие записочки»: «Дорогая мисс Пэйджет, кажется, мне удалось найти для вас интересную тему, над которой вы могли бы успешно работать. Если вы сможете прийти в лабораторию после четырех, я объясню вам эту идею и покажу необходимые приборы. Искренне ваш Дж.Дж. Томсон».

2 января 1890 года они поженились. Иногда супруги давали открытые для широкой публики «визиты в лабораторию», где Роза‑Элизабет руководила опытами в вечернем платье.

Сразу после избрания главой Кавендишской лаборатории Томсон приступил к исследованиям прохождения электрического тока через газы. В книге «Размышления и воспоминания» он писал, что не знал такого времени, когда бы не занимался газовым разрядом.

Вначале он совместно с Трелфоллом ставит эксперименты по изучению проводимости в азоте и озоне. Результаты этих исследований были опубликованы в 1886 году в «Трудах Королевского общества». В 1887 году он опубликовал работу «О диссоциации некоторых газов электрическим разрядом». Томсон изучал влияние давления и температуры на разряд, определял скорость распространения разряда, экспериментировал с сильно нагретыми газами, изучал сопротивление электролитов переменному току высокой частоты, исследовал безэлектродный разряд и разряд через перегретый пар.

В 1894 году Томсон приступил к исследованию катодных лучей. В трубке, сконструированной ученым, катодные лучи послушно притягивались к положительно заряженной пластинке и явно отталкивались от отрицательной. То есть вели себя так, как и полагалось потоку быстролетящих крошечных корпускул, заряженных отрицательным электричеством. Превосходный результат! Он мог, безусловно, положить конец всем спорам о природе катодных лучей. Но Томсон не считал свое исследование законченным. Определив природу лучей качественно, он хотел дать точное количественное определение и составляющим их корпускулам.

Томсон сразу стал использовать открытия Рентгена и Беккереля в своих исследованиях, и, как он вспоминал, эти открытия позволили производить многие эксперименты, которые до этого были невыполнимы. Вначале Томсон изучал действие рентгеновских лучей на разряд в газе. «К моему великому восторгу, – писал Томсон о рентгеновских лучах, – они делали газ проводником тока, даже если электрическая сила, приложенная к газу, была чрезвычайно мала… X‑лучи, казалось, превращали газ в газообразный электролит».

«Вскоре из этих опытов были получены важные результаты, – пишет С.П. Кудрявцев. – Во‑первых, Томсон обнаружил, что после прекращения действия лучей проводимость в газе еще сохранялась какое‑то время и прекращалась после фильтрования газа через стекловату. Во‑вторых, было выяснено, что для фильтрования не обязательно использовать стекловату, вполне достаточно подвергнуть газ действию электрических сил. В‑третьих, было найдено нарастание силы тока при малых напряжениях в согласии с законом Ома, при больших напряжениях – отклонение от закона Ома и при некотором большом напряжении – наличие тока насыщения.

Из опытов также следовало, что после прекращения действия лучей в газе еще остаются заряженные частицы, которые и являются носителем тока. О том, что эти частицы отрицательно и положительно заряжены, говорил тот факт, что электрические силы прекращали остаточную проводимость, т е. отрицательно заряженные частицы осаждались на положительном электроде, а положительные – на отрицательном».

Окрыленный первым успехом, он сконструировал новую трубку: катод, ускоряющие электроды в виде колечек и пластинки, на которые можно было подавать отклоняющее напряжение. На стенку, противоположную катоду, он нанес тонкий слой вещества, способного светиться под ударами налетающих частиц. (Получился предок электронно‑лучевых трубок, так хорошо знакомых нам в век телевизоров.)

Цель опыта Томсона заключалась в том, чтобы отклонить пучок корпускул электрическим полем и компенсировать это отклонение полем магнитным. Выводы, к которым он пришел в результате эксперимента, были поразительны. Во‑первых, оказалось, что частицы летят в трубке с огромными скоростями, близкими к световым. А во‑вторых, электрический заряд, приходившийся на единицу массы корпускул, был фантастически большим. Что же это были за частицы: неизвестные атомы, несущие на себе огромные электрические заряды, или крохотные частицы с ничтожной массой, но зато и с меньшим зарядом?

Далее он обнаружил, что отношение удельного заряда к единице массы есть величина постоянная, не зависящая ни от скорости частиц, ни от материала катода, ни от природы газа, в котором происходит разряд. Такая независимость настораживала. Похоже, что корпускулы были какими‑то универсальными частицами вещества, составными частями атомов…

Томсон писал, что «постоянство значения – для ионов, составляющих катодные лучи, есть поразительный контраст изменчивости соответствующих величин для ионов, которые несут ток в электролитах… Когда мы рассматриваем электрический заряд, несомый ионом в катодных лучах, мы, принимая, что он равен по модулю заряду, несомому водородным ионом при электролизе, заключаем, что масса водородного иона должна быть в 770 раз больше массы иона в катодных лучах; следовательно, носитель отрицательного электричества в этих лучах должен быть очень малым по сравнению с массой водородного атома».

Этот результат ошеломил Томсона, и он стал его тщательно изучать, улучшил методику эксперимента с целью получения более точных значений массы частиц, испускаемых металлами под действием ультрафиолетового света, для частиц, испускаемых нагретыми металлами, и находит его таким же, как и для катодных частиц.

После долгих размышлений Томсон приходит к следующим заключениям:

1) «…атомы не неделимы, отрицательно заряженные частицы могут вылетать из них под действием электрических сил, удара быстро движущихся атомов, ультрафиолетового света или тепла»;

2) «…все эти частицы одинаковой массы и несут одинаковый заряд отрицательного электричества от любого рода атомов, и они являются составной частью всех атомов»;

3) «…масса этих частиц меньше однотысячной массы атома водорода».

29 апреля 1897 года в помещении, где уже более двухсот лет происходили заседания Лондонского королевского общества, состоялось выступление Томсона. Оно было встречено восторгом присутствующих. Еще бы! Атомы, наипервейшие кирпичики материи, перестали быть элементарными круглыми зернами, непроницаемыми и неделимыми, частицами без всякого внутреннего строения… Если из них могли вылетать отрицательно заряженные корпускулы, значит, и представлять собой атомы должны были какую‑то сложную систему. Систему, состоящую из чего‑то заряженного положительным электричеством и из отрицательно заряженных корпускул – электронов.

Название, некогда предложенное Стонеем для обозначения величины наименьшего электрического заряда – электрон, стало именем неделимого «атома электричества».

В 1904 году Томсон же и представил новую модель атома. Она представляла собой также равномерно заряженную положительным электричеством сферу, внутри которой вращались отрицательно заряженные корпускулы, число и расположение которых зависело от природы атома. Ученому не удалось решить общую задачу устойчивого расположения корпускул внутри сферы, и он остановился на частном случае, когда корпускулы лежат в одной плоскости, проходящей через центр сферы.

Томсон научил физиков управлять электронами, и в этом его основная заслуга. Развитие метода Томсона составляет основу электронной оптики, электронных ламп, современных ускорителей заряженных частиц.

В 1906 году Томсону за его исследование прохождения электричества через газы была присуждена Нобелевская премия по физике.

Томсон разработал и методы изучения положительно заряженных частиц. Вышедшая в 1913 году его монография «Лучи положительного электричества» положила начало масс‑спектроскопии.

В лаборатории Томсона начались первые измерения элементарного заряда из наблюдения движения заряженного облака в электрическом поле. Этот метод был в дальнейшем усовершенствован Милликеном и привел к его ставшим классическими измерениям заряда электрона.

Всем сердцем Томсон был привязан к Кембриджу. Лишь несколько раз он выезжал за границу. Когда разразилась Первая мировая война, Томсон вошел в состав правительственной комиссии, занимавшейся организацией научных исследований, важных для морского флота. В частности, ученые Кембриджа решали задачу обнаружения подводных лодок.

В 1918 году Томсон получил высокий пост президента Тринити‑колледжа. Через год он передал руководство Кавендишской лабораторией своему выдающемуся ученику Резерфорду, но с лабораторией не порывал до конца жизни. Он оставил здесь небольшую комнату, где и работал со своими учениками.

Умер Томсон 30 августа 1940 года.