1856–1940

Классическое представление об атоме, как о частице, состоящей из ядра (с протонами и нейтронами) и электронов, вращающихся вокруг оного, не появилось в одночасье. Вехами её становления были открытия тех самых частиц, о которых мы упомянули выше. Первопроходцем здесь стал английский физик, открывший электрон, сэр Джозеф Джон Томсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г., один из основоположников атомной физики. Это известно многим. Но лишь немногие знают, что Томсон был глубоко верующим христианином, о котором его ученик и друг, сэр Оуэн Ричардсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1928 г., сказал: «Человек глубоко верующий, прихожанин церкви, регулярно принимавший Причастие и дома каждый день преклонявший колени в молитве – привычка, о которой до самого конца его жизни мало кто знал кроме леди Томсон».

Джозеф Джон Томсон родился 18 декабря 1856 г. в английском Читем-Хилле неподалёку от Манчестера в семье Эммы и Джозефа Джеймса Томсон. Отец будущего физика-атомщика был владельцем книжного магазина, основанного Томсоном-дедом и предлагавшего покупателям старинные издания разных авторов. Томсон-отец мечтал, чтобы Томсон-сын стал инженером. Для этого мальчика отправляют учиться в частную школу, а затем четырнадцатилетний Джозеф становится студентом колледжа Оуэна, известного впоследствии как Манчестерский университет. Родители собирались устроить сына помощником инженера на завод по производству локомотивов, но из-за смерти отца в 1873 г. этим планам не суждено было сбыться.

Ощутивший вкус к науке, двадцатилетний Томсон поступает в Тринити-колледж Кембриджского университета. Спустя четыре года он получает степень бакалавра, а ещё спустя три – магистра математики. В то время Кембридж был единственным университетом Англии, имевшим физическую лабораторию, названную в честь Уильяма Кавендиша, 7-го герцога Девоншира. Будучи канцлером Кембриджского университета, он пожертвовал крупную сумму на её открытие, состоявшееся в 1874 г. Сначала её возглавлял Джеймс Клерк Максвелл, затем лорд Рэлей, а третьим руководителем лаборатории становится… правильно, Джозеф Джон Томсон!

Как и многие другие физики того времени, он желает разгадать тайны электричества и магнетизма. Однако особый интерес Томсона связан с вопросом о носителях электрического заряда. Он исследует протекание электрического тока в разреженных газах, замечая, что проводимость газов увеличивается под влиянием рентгеновского излучения. Важную роль в получении такого излучения играют катодные лучи, т. е. потоки, исходящие от катодов (отрицательных электродов) разрядных трубок. В 1894 г. Томсон определяет скорость распространения катодных лучей и, поскольку она оказалась в 2000 раз меньше световой, он делает вывод, что эти лучи представляют собой поток частиц. Примерно в это же время французский исследователь Жан Перрен устанавливает, что электрический заряд катодных лучей имеет отрицательный знак. Далее, применив свои познания в математике, сэр Джозеф рассчитывает траекторию заряженной частицы, движущейся под влиянием электрического и магнитного полей. Оказалось, что отклонение частицы зависит от её заряда и массы. Затем учёный проводит эксперимент, результаты которого показывают, что масса таинственной частицы примерно в 2000 раз меньше массы ионов водорода. В конечном итоге, в 1897 г. он приходит к заключению о существовании неизвестной доселе частицы – электрона. Правда, сам термин «электрон» был предложен ещё в 1894 году Джорджем Стоуни, но его открытие состоялось лишь три года спустя в результате усилий Томсона. Через 10 лет за открытие электрона Джозеф Джон Томсон будет удостоен Нобелевской премии по физике с формулировкой «за исследования прохождения электричества через газы».

Кроме электрона, Томсон сделал ещё одно важное открытие – открытие Розы Пейджет, которая в 1890 г. стала его женой и впоследствии родила ему двух детей, один из которых, Джордж Пейджет Томсон, экспериментально обнаружит волновые свойства открытых отцом электронов и тоже удостоится за это в 1937 г. Нобелевской премии.

Стремясь описать картину микромира с помощью своего открытия, сэр Джозеф предлагает свою модель атома, названную аллегорически «пудингом с изюмом». Согласно этой модели атом представляет собой большую положительно заряженную «каплю» (или «пудинг»), внутри которой размещены отрицательно заряженные электроны («изюминки»). Впоследствии ученик Томсона Эрнест Резерфорд, покажет несостоятельность теории, созданной его учителем, однако для того времени сама попытка объяснить природу атома с упоминанием электронов была почти фантастической.

Джозеф Джон Томсон известен также как первооткрыватель формулы, описывающей рассеяние электромагнитных волн на свободных электронах (ныне – формула Томсона). Ему принадлежит весомый вклад в открытие фотоэффекта и термоэлектронной эмиссии. Кроме того, предложенный им метод определения отношений зарядов частиц к их массам, заложил основу для работы масс-спектрографов. А это, в свою очередь, послужило толчком для открытия изотопов (ядер с одинаковым зарядом, но различной массой). К слову, предсказание о существовании изотопов и даже обнаружение некоторых из них – также заслуга Томсона.

26 августа 1909 г., вступая в должность президента Британской ассоциации содействия развитию науки, Джозеф Джон Томсон сказал: «Мы покоряем вершину за вершиной, и перед нами открываются манящие и прекрасные просторы, но мы не видим цели, не видим горизонта; вдали высятся всё новые вершины, с которых их покорителям откроются ещё более широкие горизонты. Каждая покорённая вершина углубляет сознание того, о чем свидетельствует любое научное открытие: что „велики дела Господни”».

В 1918 г. сэр Джозеф ушёл в отставку, передав лабораторию своему ученику Эрнесту Резерфорду. За свою жизнь он не только сделал множество научных открытий, но и воспитал 27 членов Королевского общества и 80 профессоров, успешно работающих в тринадцати странах. Среди его учеников – всемирно известные Чарлз Вильсон, Эрнест Резерфорд, Роберт Оппенгеймер, Уильям Брэгг, Макс Борн, Поль Ланжевен, Джон Таунсенд.

Умер Джозеф Джон Томсон в Кембридже 30 августа 1940 г.