Со временем стало ясно, что электричество существует как бы в двух разновидностях, которые назвали положительным и отрицательным зарядами. Соответственно, если с атомом связан положительный заряд электричества, то под действием электрического напряжения он должен притягиваться в одном направлении; если же атом обладает отрицательным электрическим зарядом, то он должен притягиваться в другом направлении.
Поскольку изучать единицы электричества было гораздо труднее, чем атомные единицы материи, на протяжении XIX века они даже не имели названия. Только в 1891 году ирландский физик Джордж Стоуни предложил назвать предполагаемую единицу электричества электроном.
Как известно, электрический ток всегда течет по замкнутой цепи проводников – например, по металлической проволоке. Полюс батареи или другого источника электрического напряжения, от которого начинается движение тока, назвали положительным (анодом), а другой – отрицательным (катодом). Если возникает разрыв в цепи, то движение электрического тока прекращается. Однако в том случае, когда разрыв невелик, а напряжение достаточно высоко, ток может просочиться через разрыв в виде искры. Возникающая при этом вспышка света и треск являются результатом взаимодействия электрического тока с молекулами воздуха и их нагрева. Но свет и звук – не электричество. Для того чтобы обнаружить само электричество, ток следует пропустить через промежуток между электродами, находящимися в вакууме. Для этого два электрода впаивают в стеклянную трубку, из которой откачивают почти весь воздух.
Такая сложная технологическая операция была выполнена далеко не сразу. Только в 1854 году ее удалось осуществить немецкому стеклодуву и изобретателю Генриху Гейсслеру. Оказалось, что, если пропустить через его трубку достаточно высокое напряжение, ток пойдет и через вакуум.
В 1858 году немецкий физик Юлиус Плюккер заметил, что, когда электрический ток проходит через трубку Гейсслера, над катодом возникает зеленоватое свечение. Исследователи продолжали изучать это свечение, пока наконец другой немецкий физик Ойген Гольдштейн в 1876 году не пришел к выводу, что существуют невидимые лучи, которые испускает отрицательно заряженный электрод и которые заканчиваются у противоположного конца трубки. Он назвал их «катодными лучами» и полагал, что они представляют собой искомый электрический ток, движущийся внутри металлических проводов. Гольдштейн задумался: можно ли считать, что катодные лучи обладают теми же волновыми свойствами, что и видимый свет, или они являются потоком частиц, обладающих массой?
Существовали как сторонники, так и противники указанных точек зрения. Однако в 1885 году английский физик Уильям Крукс сумел направить катодные лучи на колесо с лопатками, и они заставили его поворачиваться. Его опыт показал, что катодные лучи обладают массой и, следовательно, представляют собой поток частиц, аналогичных атомам, а не поток волн, не имеющих массы. Больше того, Крукс продемонстрировал, что поток катодных лучей можно отклонять при помощи магнита (аналогично проводнику, помещенному в магнитное поле). Всё это означало, что, в отличие от света или обыкновенных атомов, катодные лучи содержат электрический заряд.
Представление о катодных лучах как о потоке заряженных частиц подтвердили работы английского физика Джозефа Томсона, который в 1897 году обнаружил, что поток катодных лучей может искривляться также под действием электрически заряженных предметов. По направлению их отклонения Томсон определил, что катодные лучи должны состоять из отрицательно заряженных частиц. Для их наименования и стали использовать название, предложенное Джорджем Стоуни. Другими словами, стали говорить, что катодные лучи состоят из потока электронов.
Степень отклонения катодных лучей под влиянием магнита или электрически заряженных предметов зависит от массы электрона и величины электрического заряда или магнитного поля, воздействующего на них. Измеряя это отклонение в разных условиях, ученые смогли определить свойства частиц. Казалось, что масса электрона примерно соответствует массе атома водорода. Однако Джозеф Томсон сумел доказать, что в действительности электрон гораздо легче, чем атом водорода, который считался самым легким из всех атомов. Получается, что электрон – первая «субатомная частица», открытая человеком.
Таким образом, к 1897 году физики сумели описать только два типа «неделимых» частиц, обладающих массой: атомы, образующие обычное вещество, и электроны, образующие электрический ток. Самое интересное было впереди.
Тайны «икс-лучей»
После открытия электрона исследователи пытались увязать оба вида частиц друг с другом.
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Рентген, работая с катодными лучами, заметил странное явление. Листок бумаги, покрытый соединением бария, во время приближения к трубке Гейсслера, находящейся в чехле из черного картона, при каждом разряде начинает ярко светиться. Хорошо видимое свечение не зависело от того, какой стороной бумагу подносят к трубке: покрытой соединением бария или противоположной. Самое удивительное состояло в том, что разрядные трубки, которыми пользовался Рентген, применялись исследователями в течение сорока лет, и никто не обращал внимания на это явление. Оставалось предположить, что трубка испускает еще какие-то невидимые лучи, которые свободно проходят через картон, стекло, бумагу и вызывают свечение соединения бария.
Рентген помещал между трубкой и бумагой со слоем бария различные предметы: книгу, колоду карт, доски, алюминиевую пластинку, эбонит. Все эти вещества пропускали лучи, и свечение бария продолжалось. Тогда Рентген подставил руку. На бариевом экране появились слабые очертания руки и костей кисти. Подставил кошелек, и на экране ясно стало видно его содержимое. Фантастика! Поскольку Рентген не смог определить, какого происхождения наблюдаемое излучение, он назвал его «икс-лучами». Название сохранилось и после того, как ученые начали исследовать природу рентгеновских лучей и обнаружили, что по своим свойствам они похожи на свет, но имеют более короткую длину волны, чем тот, который видит глаз.
Физики стали искать рентгеновские лучи повсюду. Француз Анри Беккерель заметил, что сульфат урана, выставленный под солнце, затем начинал светиться в темноте. Беккерель решил проверить, не излучает ли это соединение «икс-лучи». Оказалось, что излучает. Однако в ходе дальнейших исследований, в 1896 году, Беккерель случайно обнаружил, что сульфат урана испускает «икс-лучи» постоянно, вне зависимости от того, выставляют его на солнце или нет. Затем он выяснил, что эти лучи вызывают почернение фотопластинки так же, как и обычный свет. Более того, Беккерель показал, что пластинка засвечивалась и в том случае, когда ее заворачивали в черную бумагу. Следовательно, эти лучи проникали через вещество, как и «икс-лучи», но при этом не могли быть ими: француз довольно быстро установил, что его лучи свободно проходят и через те вещества, которые стали преградой для «икс-лучей» Рентгена. Беккерель также заметил, что интенсивность испускаемых ураном лучей не зависит ни от температуры, ни от освещения и не меняется со временем. Ему стало ясно, что эти лучи представляют собой совершенно новое явление в природе. Беккерель назвал его «радиацией» (от латинского слова «радиус», что означает «луч»).
