Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Джордж Джонсон

Более важным было то, что Томсон собирался показать, а именно: отношение заряда и массы частиц луча не зависит ни от конкретного газа в трубке, ни от металла, из которого сделан катод. Это означает, что, независимо ни от чего, луч будет состоять из одного и того же вещества.

И каким же странным было это вещество! Отношение заряда к массе уже было измерено для занимающего самое высокое место в периодической таблице атома водорода, когда он перетекал от полюса к полюсу электролитического элемента. Для электрона эта величина была почти в тысячу раз больше. Либо у него должен быть огромный заряд, либо, как предполагал Томсон, он несоизмеримо меньше атома. Интуиция подсказывала Томсону, что он открыл нечто невообразимое — субатомную частицу.

Шел 1906 год, и Милликен чувствовал себя как человек, утративший почву под ногами. К этому времени он уже десять лет провел в Чикаго, но оставался всего лишь доцентом. Правда, он считал себя хорошим преподавателем, и недаром его учебники хорошо продавались. Однако ему исполнилось тридцать восемь — возраст вполне зрелый для физика, — а он не сделал еще ни одного большого открытия!

Милликен знал, что впечатляющий эксперимент Томсона не дал ответов на все вопросы. Под найденное соотношение подпадало очень много значений заряда и массы. Такая неопределенность не могла развеять скептицизм немецких ученых, по-прежнему считавших, что электричество — это эфирные волны. Чтобы разрешить этот вопрос, нужно было найти хотя бы одну величину из соотношения Томсона, то есть либо массу, либо заряд электрона.

Милликен начал с повторения эксперимента, в котором один из ученых группы Томсона в Кавендишской лаборатории определил время, за которое заряженный туман из водяных паров, ионизированный либо рентгеновскими лучами, либо излучением радия, полностью оседает на стенках герметичного сосуда. Туман находился между двумя металлическими пластинами, подключенными к полюсам гальванического элемента. Заметив, как скорость осаждения пара меняется в зависимости от величины электрического поля, можно определить общий заряд облака. Если же величину этого заряда разделить на количество заряженных частиц, которые, по вашему предположению, содержатся в облаке, можно рассчитать примерную величину заряда одного электрона.

Этот метод, использующий так называемую камеру Вильсона, не устранял неопределенность и возможность разных интерпретаций. Пар возникал постоянно, верхний край облака был неровным и нечетким, отчего наблюдение за его движением было делом весьма нелегким. Милликен увеличил напряжение в надежде устойчиво зафиксировать мишень между положительным и отрицательным полюсами. Тогда удастся, полагал он, измерить скорость испарения и учесть ее в дальнейших расчетах.

Ионизационная камера Вильсона. Вакуум С при открытии впускного клапана В всасывает через основание камеры А находящийся в ней влажный воздух. Увеличение объема ведет к образованию облака

Вместо этого после включения рубильника облако исчезло, и эксперимент не получился. По крайне мере, так казалось до тех пор, пока ученый не заметил, что несколько водяных капель остались висеть в воздухе. Значит, их вес и заряд оказались такими, при которых сила притяжения полностью уравновешивалась действующим в противоположном направлении электрическим полем.

Милликен понял, что это позволит поставить более точный эксперимент. Вместо того чтобы изучать поведение целого облака капель в массе, он сможет наблюдать капли по одной. Глядя через небольшой телескоп, установленный на расстоянии чуть более полуметра от установки, он выберет зависшую каплю, а затем выключит электричество! С хронометром в руке он рассчитывал время падения капли между отдельными делениями окуляра телескопа. Час за часом он записывал результаты, сравнивая примерный вес капли и количество заряда, необходимое для ее удержания. Как сообщал Милликен, результаты всегда были 1, 2, 3, 4 или любой другой целый множитель минимального заряда, который когда-либо измерялся для минимальной капли». И действительно, заряд увеличивался равными порциями, которые, по его расчетам, равнялись 1,55 х 10-19 кулона.

В сентябре 1909 года он отправился в Виннипег, чтобы доложить результаты своих опытов, которые он считал предварительными, на заседании Британский ассоциации содействия науке. Вступительную речь произнес сам Томсон, а Эрнст Резерфорд — ему только что была вручена Нобелевская премия — прочел лекцию о состоянии атомной физики, отмечая, что при всех успехах последнего времени «обнаружить отдельный электрон пока не удалось». Тогда Милликен, который не был даже заявлен в повестке дня, удивил многих, заявив, что он уже близок к решению этой задачи.

Возвращаясь в поезде домой, он размышлял, как сделать его эксперимент более убедительным. Из-за испарения каждая капля живет всего несколько секунд. Если бы капля жила минуты или даже часы, то можно было бы регулировать напряжение в более широком диапазоне. Поскольку в это время он любовался равнинами Манитобы[5], то ответ, как он впоследствии вспоминал, пришел мгновенно.

По приезде в Чикаго он попросил Харвея Флетчера, который тогда искал тему для докторской диссертации, посмотреть, можно ли экспериментировать не с каплями воды, а с каплями других, более «живучих» жидкостей. Приобретя секундомер и понаблюдав в соседней аптеке за поведением масла, Флетчер стал собирать установку для эксперимента: две круглые латунные пластины (причем в верхней он посредине просверлил отверстие) устанавливались на лабораторном столе и подсвечивались ярким светом сбоку. Над установкой он распылял масло и наблюдал за ним в телескоп. Впоследствии он говорил, что это было незабываемое зрелище:

Пространство было усыпано крохотными звездочками всех цветов радуги. Более крупные капли вскоре упали на дно, а маленькие оставались в воздухе почти минуту. Они исполняли невероятно замысловатый танец.

На следующее утро Флетчер вкатил в лабораторию большую батарею гальванических элементов, способных дать одну тысячу вольт, и подсоединил их к латунным пластинам. Увеличивая ток, он восхищенно наблюдал за тем, как отдельные капли подпрыгивали вверх, а другие опускались вниз. Трение о сопло пульверизатора придавало им то положительный, то отрицательный заряд. Увидев, как хорошо сработал его план, Милликен пришел в восторг. Вместе с Флетчером он усовершенствовал установку и каждый вечер все последующие полгода проводил в лаборатории, накапливая данные.

Ранняя версия эксперимента Милликен а с масляными каплями. Капли опускались через небольшое отверстие и располагались в пространстве между латунными пластинами С и D, которые через рубильник были подключены к источнику электричества. Слева — источник рентгеновского излучения, который использовался для «выбивания» электронов из капель и изменения их заряда

Моя установка, спроектированная и созданная бирмингемской компанией Phillip Harris, представляла собой упрощенную версию установки Милликена, однако идея Милликена реализовалась в ней без каких-либо изменений. Латунные пластины были установлены внутри покоящейся на трех ножках плексигласовой платформы, смонтированной на твердом деревянном брусе размером примерно 40 х 50 см. Сбоку располагался источник освещения — металлический корпус, покрашенный в серый лабораторный цвет и снабженный фокусирующей линзой. Английских ламп у меня не было, но я смог найти поместившуюся в этот корпус галогеновую лампу, для которой потребовался адаптер.

Более поздняя версия установки. Серийный пульверизатор А подавал очищенный через фильтр воздух, чтобы рассеять масло в камере С, откуда случайная капля продолжала свой путь через отверстие в верхней пластине М

Для наблюдения за пляшущими каплями у меня был телемикроскоп (что-то среднее между телескопом и микроскопом), оснащенный окуляром с измерительной сеткой. Для подачи напряжения имелся рубильник. В верхнем положении напряжение подавалось на пластины (надпись на черном шильдике гласила: «Не превышать 2000 В!»). В нижнем положении происходило замыкание, и заряд рассеивался. И вот, разобрав установку и очистив ее от пыли и осевшего за тысячи студенческих демонстраций масла, я был готов к проведению своего собственного эксперимента.

Установка Милликена производства компании  Phillip Harris Рисунок Элисон Кент

Я зарядил обычный парфюмерный пульверизатор вазелиновым маслом и впрыснул его в камеру поверх верхней латунной пластины. Потом подождал, пока несколько капель не опустятся через крохотное отверстие в пластине. Капли выглядели, скорее, как пылинки в снопе солнечного света, а не как маленькие звездочки. Однако их воздействие было гипнотическим. Я отобрал ту, которая падала плавно и прямо, и включил напряжение. Если бы она неожиданно устремилась вверх, это означало бы, что у нее есть заряд. Двигая рубильник вверх и вниз и регулируя напряжение, я засекал время подъема и падения капель между делениями измерительной сетки окуляра — 4,2 секунды вниз, 2,6 секунды вверх… 6,8 секунды вверх… 7, 1 и 2,2…8,1 и 3,3.