Джозеф Джон Томсон: Учитель, создавший плеяду нобелевских лауреатов

• Автор: andreybrylb

• Оригинальный материал

В период с 1884 по 1919 год в стенах скромно финансируемой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета произошла научная революция. Под руководством профессора Джозефа Джона Томсона группа молодых исследователей не только раскрыла тайны атома, но и заложила основы новой науки — физики элементарных частиц. Сам Томсон, получивший Нобелевскую премию в 1906 году за открытие электрона, стал уникальным педагогом: семь его учеников впоследствии также были удостоены высшей научной награды.

Возникает вопрос: было ли это простое стечение обстоятельств, собравшее в одном месте столько гениальных умов, или же это результат особого педагогического дара, который позволил Томсону раскрыть потенциал своих студентов? Эта история — о том, как один человек смог изменить ход научного прогресса не только собственными открытиями, но и благодаря воспитанию целого поколения выдающихся ученых.

Начало пути: неожиданное назначение

В 1884 году лорд Рэлей, лауреат Нобелевской премии 1904 года, покинул пост руководителя престижной Кавендишской лаборатории. Вопреки ожиданиям, он рекомендовал на свою должность 28-летнего Джозефа Томсона. Это решение было смелым: на роль претендовали многие известные и опытные ученые. Хотя Томсон был блестящим выпускником и уже имел научные публикации, его опыт как экспериментатора казался недостаточным. Тем не менее, отборочная комиссия, в которую входили такие светила науки, как лорд Кельвин и Джордж Стокс, последовала совету Рэлея.

Томсон блестяще оправдал доверие. В 1897 году в серии изящных экспериментов с электронно-лучевой трубкой он предоставил неопровержимые доказательства существования электрона. Это открытие разрушило древнее представление о неделимости атома и открыло новую эру в науке.

Томсон в своей лаборатории. Очень подробный и интересный рассказ об открытии электрона - здесь

Томсон вырос в семье книготорговца и с детства проявлял недюжинные способности. Его путь в науку был проложен не деньгами, а талантом и упорством: он получал стипендии и опубликовал свою первую научную работу в 19 лет. Вдохновляясь примерами Джона Дальтона и Джеймса Джоуля, юный Джозеф уже тогда мечтал об «оригинальном исследовании» — амбиция, редкая для его времени.

Томсон дома в своем кабинете в 1899 году. Он сидит в кресле, принадлежавшем Джеймсу Клерку Максвеллу, чья теория электромагнетизма до сих пор считается одним из самых замечательных достижений физики

К 50 годам Томсон достиг вершин научного признания: он руководил ведущей лабораторией мира и был нобелевским лауреатом. Казалось, можно было почивать на лаврах. Однако его главное, часто недооцененное, наследие — педагогический талант. Под его руководством выросли 75 профессоров, 27 членов Королевского общества и 7 нобелевских лауреатов — рекорд, который не побит до сих пор. Томсон, помня о своих учителях, ежедневно работал со студентами, направляя и вдохновляя их. Его ученики вспоминали радость, которую вызывал звук его шагов в лаборатории.

Звездные ученики: наследие Кавендиша

❯ Эрнст Резерфорд (1871 — 1937)

Самый знаменитый протеже Томсона — Эрнст Резерфорд, создатель планетарной модели атома. Новозеландец по происхождению, он попал в Кавендиш благодаря решению Томсона открыть лабораторию для талантливых студентов без традиционных кембриджских дипломов. Поддержка учителя помогла Резерфорду преодолеть первоначальное недоверие коллег и сосредоточиться на исследованиях радиоактивности, за которые он получил Нобелевскую премию по химии в 1908 году. Позже, в 1919 году, Резерфорд сменил Томсона на посту директора Кавендишской лаборатории.

❯ Фрэнсис Вильям Астон (1877 — 1945)

Томсон лично пригласил Астона в Кавендиш для изучения анодных лучей. Их совместная работа привела к созданию масс-спектрографа — прибора, позволившего Астону открыть 212 природных изотопов. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по химии в 1922 году.

Предыдущим местом работы Астона был Бирмингемский институт, где он работал под руководством Пойнтинга (кто помнит одноимённый вектор из школьной физики, тот знаком с ним)

Основные исследования Астона были направлены на изучение изотопов — разновидностей атомов химического элемента, имеющих разную массу. Работа привела к созданию учителем и учеником масс-спектрографа — устройства, которое позволило Астону открыть 212 природных изотопов различных элементов уже в 1919 году.

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, искажающая ее траекторию. Определяя разницу в траекториях ионизированных атомов, движущихся в магнитном поле, можно сделать выводы о связи между массой и зарядом иона.

Астон был удостоен Нобелевской премии в 1922 году «за открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов с помощью масс-спектрографа, который он сам изобрел, и за формулировку правила целых чисел».

Обратите внимание: "Мы любим тепло!" FACI - международная компания по производству котлов.

❯ Чарльз Томсон Вильсон (1869 — 1959)

Шотландец Чарльз Вильсон, первоначально изучавший медицину, присоединился к группе Томсона в 1892 году. Наблюдая за атмосферными явлениями, он создал знаменитую «камеру Вильсона» — устройство, позволявшее визуализировать траектории субатомных частиц. Это изобретение, сыгравшее ключевую роль в открытии позитрона, принесло Вильсону Нобелевскую премию по физике в 1927 году.

Пару лет спустя, наблюдая атмосферные эффекты в обсерватории Бен-Невис в Шотландии, Уилсон начал попытки воспроизвести их в лаборатории.

Корона (слева) и глория (справа) — оптические явления, вызванные дифракцией света на каплях воды. Кстати, в Китае глорию называют «Светом Будды». Цветной ореол всегда окружает тень наблюдателя, что часто интерпретировалось как степень его просветления (близости к Будде и другим божествам).

Его исследования привели его к разработке облачной камеры, которая позволяла отслеживать каждую субатомную частицу на фотопластине. Камера Вильсона позволила сделать некоторые из величайших открытий в физике элементарных частиц, включая открытие позитронов (положительно заряженных электронов), и принесла своему автору Нобелевскую премию в 1927 году.

Быстро заряженная частица, двигаясь сквозь облако пересыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. В результате там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капель воды, который можно сфотографировать. Именно из-за этого типа трассы камера получила свое английское название — cloud camera

❯ Уильямс Лоуренс Брэгг (1890 — 1971)

В 1912 году Томсон представил научному сообществу работу молодого аспиранта Уильямса Брэгга о дифракции рентгеновских лучей. Всего через три года, в 1915-м, 25-летний Брэгг стал самым молодым в истории лауреатом Нобелевской премии по физике. Он разделил награду со своим отцом, а открытый им закон Брэгга-Вульфа стал фундаментом рентгеноструктурного анализа, позволившего «увидеть» атомы в кристаллах.

Австралийский физик, уроженец Аделаиды. Его рука, сломанная в детстве, появилась на первом в истории континента рентгеновском снимке, сделанном в медицинских целях.

В статье обсуждался новый метод дифракции рентгеновских лучей, а три года спустя, в 1915 году, автору, которому тогда было всего 25 лет, была присуждена Нобелевская премия по физике. Брэгг стал самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физике и первым и пока единственным, кто удостоился этого почетного звания вместе со своим отцом.

nλ = 2dsin θ – закон Брэгга-Вульфа. Точки на картинке — это атомы кристаллической решетки.

Закон Брэгга позволил, используя известные λ и θ, рассчитать положение атомов в кристалле по картине дифракции, которую формируют рентгеновские лучи при прохождении через кристаллическую решетку.

Дифракционная картина получается путем измерения интенсивности рассеянных волн в зависимости от угла рассеяния. Пики Брэгга на дифракционной картине получаются, когда углы рассеяния удовлетворяют условию Брэгга для θ и исследуемой кристаллической структуры.

❯ Чарльз Гловер Баркла (1877 — 1944)

Выпускник Тринити-колледжа, Баркла работал под началом Томсона в Кавендише. Его ключевым вкладом стало открытие характеристических рентгеновских спектров атомов, что привело к формулировке закона Мозли. Это открытие, позволившее точно определять химические элементы, было отмечено Нобелевской премией по физике в 1917 году.

Гловер Баркла провел там около двух лет, работая над определением скорости электромагнитных волн в различных материалах. Решающим вкладом Баркли в науку стало открытие того, что каждый атом имеет характерный рентгеновский спектр, на который не влияют внешние факторы, такие как температура.

Исследования Баркли привели к так называемому Закон Мозли, расчитавший по конкретной формуле зависимость длины волны характеристического излучения от порядкового номера элемента. Закон удивителен тем, что эта зависимость линейна! На горизонтальной оси отмечен корень из частоты и длины волны, а на вертикальной оси — номер заряда.

В 1916 году Гловер Баркл подал в отставку и начал преподавать философию. Однако премия все же нашла своего героя, и в 1917 году ученому была присуждена Нобелевская премия.

❯ Оуэн Уилланс Ричардсон (1879 — 1959)

Ричардсон, как и другие ученики Томсона, пришел в науку благодаря стипендии и выдающимся способностям. В Кавендише он занялся изучением термоэлектронной эмиссии («эффекта Эдисона»). Ричардсон не просто подтвердил явление экспериментально, но и вывел строгий физический закон, описывающий его. Эта работа, удостоенная Нобелевской премии по физике в 1928 году, легла в основу создания электронных ламп и радиотехники.

Биография всех, о ком мы сегодня говорили, схожа как две капли воды: отличное школьное образование и заслуженная студенческая стипендия, позволившая им «засветиться» и попасть в Томсон. Оуэн Ричардсон не является исключением.

В 1900 году он начал изучать явление термоэлектронной эмиссии («эффект Эдисона»), заключающееся в том, что при нагревании металла электроны приобретают достаточно энергии для преодоления потенциального барьера.

Термоэлектронная эмиссия в электрическом вакуумном диоде. Когда к аноду приложено положительное напряжение, электрический ток течет через вакуум между катодом и анодом; при смене полярности ток отсутствует. Стрелками показано направление движения электронов, направление тока противоположно направлению движения электронов.

Но Эдисон смог экспериментально подтвердить термоэлектронную эмиссию, а Ричардсон придал ей статус строгого физического закона. Конечно, Оуэн имел преимущество в том, что знал о существовании электронов благодаря своему учителю.

Оказалось, что с увеличением анодного напряжения ток увеличивается до некоторого максимального значения, где ток называется током насыщения, и не увеличивается дальше при последующем увеличении напряжения на аноде.

Ток насыщения пропорционален квадрату температуры, k — постоянная Больцмана, A и B’ — параметры, зависящие от материала катода и определяющие его способность к термоэлектронной эмиссии

Именно за эту формулу Ричардсон получил Нобелевскую премию в 1928 году, а явление термоэлектронной эмиссии привело к беспрецедентному развитию электровакуумных приборов, которые затем использовались в качестве выпрямителей переменного тока.

Кенотроны выпрямляют электровакуумные устройства, работающие по принципу термоэлектронной эмиссии. Его до сих пор можно найти среди любителей «трубочной музыки». Их несомненным преимуществом является отсутствие искажений, присущих полупроводниковым приборам.

❯ Эдуард Виктор Эплтон

Эпплтон получил Нобелевскую премию по физике в 1947 году, уже после смерти учителя. Работая в Кавендише, он исследовал строение атмосферы. Его главным достижением стало экспериментальное доказательство существования ионосферы, в частности, её высоко ионизированного слоя F (часто называемого слоем Эпплтона). Это открытие объяснило, как радиоволны могут огибать Землю, и имело огромное значение для развития радиосвязи и радаров.

В лаборатории Эдвард активно взаимодействовал с Уилсоном и изучал атмосферные явления, но цель исследований была иной. Эпплтона интересовало строение атмосферы, а именно ее загадочный слой, оказавший сильное влияние на распространение коротковолновых радиосигналов.

Опыты Маркони 1902 года показали, что распространение ВЧ-радиоволн возможно не только в пределах прямой видимости, но и за счет отражений от определенного слоя атмосферы, что позволило принимать радиосигналы на другом конце земного шара

Английский физик Оливер Хевисайд в 1902 году предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере. Его теория включала возможность распространения радиосигналов вокруг Земли, несмотря на ее кривизну. Независимо от Хевисайда эксперименты по приему коротких волн на большие расстояния через Атлантику между Европой и Америкой провел американский инженер-электрик Артур Кеннелли. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хевисайда-Кеннели, а затем ионосферой.

Слой D ионосферы практически полностью поглощает радиосигналы, слой E способен отражать длинные и средние волны, а слой F имеет максимальную ионизацию и используется для работы на коротких волнах

Именно за открытие слоя F (на Западе его часто называют слоем Эпплтона) физик получил заслуженную награду. В серии экспериментов было установлено, что оно находится на высоте 300-400 км над поверхностью Земли. Методология, которую Эпплтон использовал во время своих исследований, оказала огромное влияние на развитие радаров.

❯ Эпилог: Научная династия

Наследие Джозефа Томсона не ограничивается его учениками. Его сын, Джордж Паджет Томсон, продолжил семейную традицию научных открытий. Если отец доказал корпускулярную природу электрона, то сын в 1937 году получил Нобелевскую премию за экспериментальное подтверждение его волновых свойств, став одним из основателей квантовой механики. Так династия Томсонов охватила обе стороны корпускулярно-волнового дуализма.

В то время как отец подтвердил существование электрона как отдельной частицы (корпускулы), сын доказал, что электрон обладает волновыми свойствами, что стало первым экспериментальным доказательством принципа корпускулярно-волнового дуализма, сформулированного де Брейлем в 1920 году получил Нобелевскую премию за это открытие еще при жизни своего отца, в 1937 году.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Джон Томсон и его фабрика по производству нобелевских лауреатов.