Вплив експериментальних досліджень Томсона на розвиток фізики
Информация - Физика
Другие материалы по предмету Физика
Англійський фізик Джозеф Джон Томсон народився в Читхем-Хілл, передмісті манчестера, в сімї Джозефа Джеймса і Еми (у дівоцтві Суинделлс) Томсон. Оскільки батько, книгопродавець, хотів, щоб хлопчик став інженером, його у віці чотирнадцяти років послали в Оуэнс-коледж (нині Манчестерський університет). Проте через два роки батько помер, залишивши сина без засобів. Проте він продовжив навчання завдяки фінансовій підтримці своєї матері і стипендіальному фонду.
Оуенс-коледж зіграв важливу роль в карєрі Томсона, оскільки там був чудово обладнаний факультет і на відміну від більшості коледжів того часу читалися курси експериментальної фізики. Отримавши в Оуэнсе в 1876 р. звання інженера, Томсон поступив в Трініті-колледж Кембріджського університету. Тут він вивчав математику і її додатки до завдань теоретичної фізики. Ступінь бакалавра по математиці він отримав в 1880 р. Наступного року він був обраний членом вченої ради Трініті-колледжа і почав працювати в Кавендишской лабораторії в Кембріджі.
У 1884 г. Дж.У. Стрет, наступник Джейма Клерка Максвелла на посту професора експериментальної фізики і директора Кавендишской лабораторії, пішов у відставку. Томсон зайняв цей пост, незважаючи навіть на те, що йому було тоді всього двадцять сім років і він не добився ще скільки-небудь помітних успіхів в експериментальній фізиці. Проте його дуже цінували як математико-фізика, він активно застосовував максвелловскую теорію електромагнетизму, що і визнали достатнім при рекомендації його на цей пост.
Приступивши до своїх нових обовязків в лабораторії, Томсон вирішив, що головним напрямом його досліджень повинне стати вивчення електричної провідності газів. Особливо його цікавили ефекти, що виникають при проходженні електричного розряду між електродами, поміщеними в протилежних кінцях скляної трубки, з якої викачано майже усе повітря. Ряд дослідників, і серед них англійський фізик Уільям Крукс, звернули увагу на одне цікаве явище, що виникає в таких газорозрядних трубках. Коли газ стає досить розрідженим, скляні стінки трубки, розташовані на кінці, протилежному до катода (негативному електроду), починають флуоресціювати зеленуватим світлом, що, видно, відбувалося під впливом випромінювання, що виникає на катоді.
Катодні промені викликали в науковому середовищі величезний інтерес, а відносно їх природи висловлювалися найсуперечніші думки. Британські фізики в більшості своїй вважали, що ці промені є потоком заряджених часток. Навпаки, німецькі учені переважно схилялися до думки, що вони є обуреннями - можливо, коливаннями або струмами - в деякому гіпотетичному невагомому середовищі, в якому, як вони вважали, поширюється це випромінювання. З цієї точки зору катодні промені представлялися чимось на зразок високочастотної електромагнітної хвилі, подібної до ультрафіолетового світла. Німці посилалися на досліди Генріха Герца, який, як вважалося, виявив, що катодні промені, відхиляючись під впливом магнітного поля, залишаються нечутливими до сильного електричного поля. Передбачалося, що це спростовує думку, ніби катодні промені - це потік заряджених часток, бо електричне поле незмінно робить дію на траєкторію таких часток. Навіть якщо це було і так, проте експериментальні аргументи німецьких учених залишалися не цілком переконливими.
Дослідження катодних променів і повязаних з ними явищ пожвавилися у звязку з відкриттям Вільгельмом Рентгеном в 1895 р. рентгенівських променів. Між іншим, ця форма випромінювання, про яку раніше не підозрювали, також виникає в газорозрядних трубках (але не на катоді, а на аноді). Незабаром Томсон, працюючи разом з Ернестом Резерфордом, виявив, що опромінення газів рентгенівськими променями у величезній мірі збільшує їх електропровідність. Рентгенівські промені іонізували гази, тобто вони перетворювали атоми газу на іони, які на відміну від атомів заряджені і, отже, служать хорошими переносниками струму. Томсон показав, що провідність, що виникає тут, в чомусь схожа на іонну провідність при електролізі в розчині.
Виконавши зі своїми студентами дуже плідне дослідження провідності в газах, Томсон, підбадьорений успіхами, впритул зайнявся невирішеним питанням, яке займало його вже багато років, а саме складом катодних променів. Як і інші його англійські колеги, він був переконаний в корпускулярній природі катодних променів, вважаючи, що це могли бути швидкі іони або інші наелектризовані частки, що вилітають з катода. Повторивши досліди Герца, Томсон показав, що насправді катодні промені відхиляються електричними полями. (Негативний результат у Герца був повязаний з тим, що в його газорозрядних трубках знаходилося надто багато залишкового газу.) Томсон пізніше відмічав, що "відхилення катодних променів електричними силами стало цілком помітним, а його напрям вказував на те, що складові катодні промені частки несли негативний заряд. Цей результат усуває протиріччя між дією електричних і магнітних сил на катодні частки. Але він має набагато більше значення. Тут виникає спосіб виміру швидкості цих часток v, а також і e/m, де m - маса частки, а е - її електричний заряд".
Метод, запропонований Томсоном, був дуже простий. Спочатку пучок катодних променів відхилявся за допомогою електричного поля, а потім за допомогою магнітного поля він відхилявся на рівну величину в протилежну сторону, так що у результаті пучок знову випрямлявся. Використовуючи таку експериментальну методику, стало можливим вивести прості рівнянн?/p>