История и методология физики

ОТКРЫТИЕ «АТОМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА» 
Открытие электрона 
Физическая природа того, что перемещается при протекании электрического 
тока, оставалась непонятной. Прояснению этого вопроса способствовали законы 
электролиза Фарадея (1833). 
Термин «ион» («странник») Фарадей ввел для обозначения «заряженных» 
атомов, которые возникают в результате диссоциации (распада) молекул в растворе. 
Фарадей показал, что если через растворы различных веществ, молекулы которых 
состоят из одновалентных ионов, пропускать одно и то же количество электрического 
заряда, которое называют числом Фарадея, то на электродах всегда выделяется 
количество вещества, равное одному грамм-атому ионов этого вещества. Опыты 
показали, что число Фарадея равно F = 96485 Кл/моль = 2,895x10
14
СГСЭ/моль. Если 
пропускать ток через растворы с двухвалентными ионами, то их один грамматом несет 
с собой удвоенный заряд Фарадея, один грамм-атом трехвалентных ионов - утроенный 
и т.д. Но по закону Авогадро один грамматом любого вещества содержит одно и то же 
количество частиц, равное числу Авогадро N
A
. Естественно считать, что весь заряд, 
переносимый одним грамм-атомом, равномерно распределен между всеми этими 
частицами. Поэтому заряд, переносимый одновалентным ионом, имеет вполне 
определенную величину: 
е = 1,602х10
-19
Кл. 
Заряд, переносимый двухвалентным ионом, будет равен 2е и т.д. Таким образом, 
оказалось, что ионы могут нести на себе заряды е, 2е, Зе,..., и никогда не встречаются 
ионы с дробной частью заряда е. К выводу о дискретности электрического заряда 
пришел, кроме одного ученого, также Герман Гельмгольц. В своей Фарадеевской 
лекции в 1881 г. он говорил: «Если мы признаем существование атомов химических 
элементов, то мы не можем избежать и дальнейшего заключения, что электриче-
ство, как положительное, так и отрицательное, разделено на определенные 
элементарные количества, которые ведут себя, как атомы электричества». 
Наименьшую величину электрического заряда по предложению Стони в 1891 г. 
стали называть 
«
электроном». Вначале со словом «электрон» не связывали понятия о 
частице. Это было лишь обозначение элементарного электрического заряда, который 
переносит с собой одновалентный ион. Существование электрона как частицы, 
обладающей определенной массой и элементарным электрическим зарядом, было 
доказано совсем в других опытах. 
Опыты такого рода, связанные с исследованиями электрических разрядов в 
газах, впервые начал проводить Гауксби еще в 1706 г. Изучением электрических 

---

разрядов в газах также занимался немецкий физик Плюккер (1801-1868). 
Исследования Плюккера в 1859 г. показали, что темное пространство разрядной 
трубки пронизывают какие-то невидимые для глаза «лучи». В 1876 г. немецкий физик 
Эуген Гольдштейн (1850-1930) назвал их катодными лучами. Он показал, что эти лучи 
распространяются прямолинейно и испускаются перпендикулярно поверхности 
катода. Многие тайны катодных лучей были раскрыты в серии блестящих опытов 
английского физика Крукса (1832-1919) с помощью так называемых «круксовых 
трубок». Этим трубкам с большим разрежением он придавал самые разнообразные 
формы. Если на пути катодных лучей поставить металлический экран (Крукс 
использовал мальтийский крест), то за ним на противоположной стороне трубки 
наблюдалась его тень. Это означало, что внутри трубки катодные лучи 
распространяются прямо-линейно. Введя в трубку радиометр, изобретенный им в 1875 
г., Крукс обнаружил вращение радиометра, когда тот оказывался на пути катодных 
лучей, т.е. катодные лучи оказывают механическое воздействие. При поднесении 
магнита пучок лучей и образуемая им тень смещаются в сторону. Это значит, что 
катодные лучи несут электрический заряд. Крукс считал, что катодные лучи 
представляют собой «лучистую материю» (этот термин предложил Фарадей в 1816 
г.), четвертое состояние вещества, или «ультрагазообразное состояние, столь же 
далекое от газообразного, насколько то далеко от жидкого». Крукс писал: «Изучая 
четвертое, лучистое состояние материи, мы, как мне кажется, имеем под руками и 
в сфере наших исследований те первичные атомы материи, из которых, как вполне 
основательно предполагают, состоят все тела природы». Теперь четвертое 
состояние вещества в природе называют плазмой. 
В 1895 г. опыты французского физика Жана Перрена (1870-1942) показали, что 
катодные лучи несут с собой отрицательный электрический заряд. После этого стало 
ясно, что материальная природа катодных лучей более вероятна, чем волновая. Но это 
еще не было открытием электрона. 
Существование 
электрона 
как 
частицы 
и 
носителя 
элементарного 
электрического заряда наиболее точно и убедительно было доказано в опытах 
английского физика Дж.Дж. Томсона (1856-1940). Проделав ряд экспериментов с 
катодными лучами, Томсон пришел к выводу: «Я не могу избавиться от заключения, 
что катодные лучи являются зарядами отрицательного электричества, которые 
переносятся частицами материи», и продолжал: «Что это за частицы? Атомы это 
или молекулы, или материя в состоянии еще более тонкого дробления?». И он стал 
проводить более тонкие эксперименты. 30 апреля 1897 г. Дж. Дж. Томсон доложил о 
своих исследованиях и объявил, что катодные лучи состоят из отрицательно 
заряженных частиц, которые он назвал корпускулами. В дальнейшем эти частицы 
получили название – электроны. 30 апреля 1897 года считается днем рождения 
электрона. Так была открыта первая «элементарная» частица с массой т
е
= 9,11х10
-28
г и с наименьшей величиной электрического заряда. Эксперименты показали также, 
что отношение е/т для катодных лучей не зависит ни от сорта остаточного газа, 

---

заполняющего разрядную трубку, ни от материала катода. Это приводило к вполне 
естественному выводу, что катодные лучи в разных экспериментах состоят из одних и 
тех же частиц. Следует сказать, что вначале лишь немногие верили в существование 
этих тел, меньших, чем атомы. 
Таким образом, Томсон был первым, кто заявил, что «корпускулы» являются 
составной частью атома. В то время это был смелый шаг, поскольку Томсон стал 
говорить о структуре атомов, существование которых еще не было экспериментально 
доказано. Томсон со своими сотрудниками Таунсендом (1868-1957) и Вильсоном 
проводил также первые эксперименты по определению абсолютной величины заряда 
электрона.
Наиболее точные измерения заряда электрона проводил американский физик 
Роберт Милликен, начиная с 1906 г. Так непосредственно было доказано, что заряд 
складывается из дискретных единиц, и что в природе существует элементарный 
электрический заряд и его материальный носитель - электрон. В связи с открытием 
электрона интересен исторический факт – несколько раньше Томсона немецкий физик 
Кауфман (1871-1947), также проводивший эксперименты с катодными лучами, 
получил результаты, такие же, как и Томсон. Однако Кауфман не сделал вывод об 
открытии электрона, поскольку он стоял на позициях философского течения, 
основанного Махом, и называемого позитивизмом. Позитивизм позволял объяснять 
явления лишь на основе чувственного опыта. Поэтому Кауфман не мог признать 
существование субмикроскопической частицы, которая была недоступна непосред-
ственному наблюдению. Так благодаря своим философским воззрениям Кауфман не 
стал открывателем электрона.