П

Открытие рентгеновских лучей

осле открытия в 1859 году Плюккером катодных лучей во многих физических лабораториях мира проводились работы по их изучению. Подобными экспериментами занимался в конце 1895 года и немецкий физик-экспериментатор Рентген. Однажды, окончив опыт, он закрыл трубку Крукса футляром из черного картона и выключил освещение, забыв отключить питание трубки. Тут же он заметил свечение находящегося вблизи трубки экрана, покрытого флюоресцирующим веществом. Заинтересованный этим явлением, Рентген начал экспериментировать с экраном. В своем первом сообщении «О новом роде лучей» (28 декабря 1895 года) он описывал, как экран, покрытый с одной стороны флюоресцирующим составом, «при приближении к трубке, закрытой достаточно плотно прилегающим к ней чехлом из тонкого черного картона, при каждом разряде вспыхивает ярким светом: начинает флюоресцировать». Рентген пришел к выводу, что «черный картон, непрозрачный ни для видимых и ультрафиолетовых лучей Солнца, ни для лучей электрической дуги, пронизывается каким-то агентом, вызывающим энергичную флюоресценцию». Открытому излучению Рентген присвоил краткое название «Х-лучи». Он обнаружил, что эти лучи практически без ослабления проходят через бумагу, дерево, эбонит, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом. В этом же сообщении Рентген описывал, что «если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки». Это было первое описание рентгеноскопического исследования человеческого тела.

Уже в первых опытах Рентген установил, что Х-лучи возбуждаются катодными лучами в стеклянных стенках разрядной трубки, не несут электрического заряда и не отклоняются магнитным полем. Он также показал, что Х-лучи возбуждаются при торможении катодных лучей не только в стекле, но и в металле.

Рентген отмечал, что по своим химическим и люминесцентным действиям они сходны с ультрафиолетовыми лучами. Поэтому он высказал предположение, что Х-лучи могут быть продольными волнами в эфире. Однако ему не удалось обнаружить волновые свойства Х-лучей. Все попытки обнаружить их волновые свойства, например, наблюдать их дифракцию, были безуспешными до тех пор, пока немецкий физик Макс фон Лауэ не высказал идею использовать кристаллы как дифракционные решетки для рентгеновских лучей. В 1912 году эта идея получила экспериментальное воплощение в опытах Фридриха и Книппинга.

В 1901 году Рентгену за открытие Х-лучей была присуждена первая в истории физики Нобелевская премия.

О

Открытие электрона

ткрытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей. Заинтересовался открытием Рентгена и английский ученый, директор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон. Открытие Х-лучей обострило интерес Томсона к газовому разряду. Результатом коллективной работы, в которой под руководством Томсона участвовали его молодые сотрудники (и среди них – Эрнст Резерфорд), явилась классическая монография «Прохождение электричества через газы», первое издание которой увидело свет в 1903 году. В ходе этих исследований был открыт электрон.

«Исследования, которые привели к открытию электрона, – вспоминал потом Томсон, – начались с попыток объяснения расхождения поведения катодных лучей под действием магнитных и электрических сил». В то время как отклоняющее действие магнитного поля на катодные лучи было зафиксировано многими исследователями, в отношении действия электрического поля существовали разногласия. Некоторые физики наблюдали отклоняющее действие электрического поля на катодные лучи; однако другие исследователи отрицали это.

Томсон показал, что это расхождение обусловлено несовершенством техники откачки газа из вакуумных трубок. В результате остатки ионизированного газа нейтрализовали влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения пучка катодных лучей электрическим полем.

Далее Томсон и Резерфорд установили, что под действием облучения рентгеновскими лучами электропроводность газа сильно повышается, сохраняя это свойство некоторое время после облучения. Однако газ, подвергнутый облучению рентгеновскими лучами и пропущенный затем через ватный фильтр, немедленно терял приобретенное свойство. Этот факт подтверждал предположение, что носителями электричества в газах являются заряженные частицы, образующиеся под действием рентгеновского излучения.

Томсон предпринял попытку изучить природу этих частиц и определить их заряд и массу. Для этого Томсон решил изучить свойства катодных лучей, которые, как он считал, также являлись потоком заряженных частиц. С целью измерения отношения заряда к массе частиц катодных лучей Томсон использовал два метода.

Первый метод заключался в наблюдении отклонения пучка катодных лучей в магнитном поле, перпендикулярном их направлению. В этом случае сила Лоренца играла роль центростремительной силы, под действием которой частицы катодных лучей двигались по окружности:

.

Томсон преобразовал эту формулу к виду и для определения отношения , стоящего в правой части последнего соотношения, измерял заряд и кинетическую энергию, переносимые катодными лучами за один и тот же промежуток времени. Для измерения электрического заряда пучок катодных лучей направлялся в цилиндр Фарадея (полый металлический цилиндр, соединенный с электрометром). Кинетическая энергия пучка катодных лучей определялась по измерению температуры внутри цилиндра Фарадея с помощью помещенного туда термоэлемента. В этом случае выполняется очевидное равенство , где и Q – измеренные с помощью цилиндра Фарадея значения кинетической энергии и заряда. Поэтому формула, используемая Томсоном для расчета удельного заряда , приобретает окончательный вид:

.

Второй метод, использованный Томсоном, заключался в следующем. Томсон воздействовал на пучок катодных лучей взаимно перпендикулярными электрическим и магнитным полями, направленными перпендикулярно пучку. Он подбирал величину электрического поля E такой, чтобы воздействия электрического и магнитного полей на пучок взаимно компенсировались:

.

Затем он измерял отклонение этого пучка под действием одного лишь магнитного поля той же напряженности:

.

Из двух последних соотношений следовала формула для удельного заряда:

.

Обоими методами Томсон получил близкие значения , почти в две тысячи раз превосходящие значение этой величины для иона водорода. Оказалось, что величина не зависит от вида газа в трубке, а также от материала катода. Из опыта Томсона следовало, что катодные лучи бесспорно являются потоком заряженных частиц, заряд и масса которых остаются одними и теми же при использовании различных газов и различных материалов катода. Если принять, что заряд частиц катодных лучей равен заряду водородного иона, определенному из законов электролиза, то масса этих частиц получалась приблизительно в 1837 раз меньшей массы атома водорода. Напрашивался вывод о существовании заряженных частиц, имеющих очень малую массу и входящих в качестве составных частей в атомы всех элементов. Эти частицы Томсон предложил назвать «корпускулами», однако это название не прижилось. Частицы, как и предложил в 1891 году Стоней, стали называть электронами. В 1906 году за открытие электрона Томсону была присуждена Нобелевская премия.