Профессором был Джожеф Джон Томсон (1856 — 1940) — нобелевский лауреат 1906 года и первооткрыватель электрона, но таких последствий никто не ожидал: семеро студентов-исследователей под его руководством получили Нобелевскую премию по физике и химии.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5e3/5b4/b13/5e35b4b13ef37c5339ac54ccf1e8ae5d.png)
Было ли это просто причудой судьбы, что некоторые из лучших умов в области физики собрались в Кавендише в то время, или это была сверхспособность заставлять умных людей выполнять блестящую работу? Эта статья о том, как один человек смог изменить историю науки не только благодаря индивидуальному таланту, но и благодаря тщательному воспитанию выдающихся умов.
В 1884 году лорд Рэлей (Нобелевский лауреат 1904 года) ушел в отставку с поста руководителя кавендишской лаборатории физики Кембриджского университета — одного из самых престижных научных подразделений того времени. В своей записке об уходе на пенсию он рекомендовал, чтобы молодой 28-летний человек Томсон стал его заменой.
Это было беспрецедентно. На эту должность претендовало несколько высококвалифицированных и известных ученых. Несмотря на то, что Томсон был блестящим студентом с рядом публикаций на его счету и доцентом в Тринити-колледже, его квалификация физика-экспериментатора еще не были подтверждена. Некоторые недоброжелатели считали Джозефа слишком молодым, чтобы занять эту должность.
Отборочной комиссии, состоящей из лорда Кельвина, Джорджа Гэбриэла Стокса и Джорджа Говарда Дарвина — одних из лучших научных умов своего времени — предстояло сделать трудный выбор, но они всё-таки последовали рекомендации Рэлея.
Томсон оправдал их выбор сполна, когда в серии блестяще разработанных экспериментов с электронно-лучевой трубкой (в 1897 году) дал доказательство существования электронов. Это разрушило миф о том, что атом не делим, и положило начало новой науке — физике субатомных частиц.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f22/588/58d/f2258858d9f1ddab2d5abc056d1a11b1.jpg)
Томсон в своей лаборатории. Очень подробная и интересная история открытия электрона — здесь
Томсон родился в семье книготорговцев, которые финансово не могли потянуть образование сына в престижном университете. Однако, Джозефу, благодаря своим талантам, деньги были не нужны: на протяжении всего обучения он получал хорошую стипендию, ежегодно выпуская статьи в солидных научных журналах (первая была опубликована уже в 19 лет).
Томсон считал образцами для подражания знаменитого химика Далтона и физика Генри Джоуля. Однажды, когда он был совсем маленьким, кто-то из родственников спросил его, чем бы он хотел заниматься, когда вырастет, и Джозеф ответил, что хотел бы заниматься “оригинальными исследованиями”. Не многие мальчики в 1870-х годах и не многие мальчики сейчас могли бы сформулировать такие амбиции в раннем возрасте.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/fbf/8dd/7e1/fbf8dd7e14166c0e60cceea707676e05.jpg)
Томсон дома в своем кабинете в 1899 году. Он сидит в кресле, которое принадлежало Джеймсу Клерку Максвеллу, чья теория электромагнетизма до сих пор считается одним из самых замечательных достижений физики
К 50 годам Джозеф Томсон достиг всего, к чему может стремиться физик, – руководил лучшей в мире физической лабораторией, получил мировое признание за свою работу и Нобелевскую премию по физике. Он мог бы уйти на пенсию и ловить рыбу, а мир все еще помнил бы его как одного из лучших физиков всех времен.
Но есть одно достижение Джозефа, о котором не так часто вспоминают. Он был выдающимся педагогов, подобных которому мир не видел. Ряд первоклассных ученых получили свое раннее образование у Томсона — 75 его учеников занимали профессорские должности примерно в 55 университетах по всему миру, 27 были избраны членами королевского общества, а 7 его учеников стали Нобелевскими лауреатами. Последнее достижение до сих пор не повторил ни один ученый в мире!
Томсон всегда признавал, что ему повезло иметь очень одаренных учителей, которые распознали и отточили навыки молодого человека в математике и физике. Этот подход Джозеф как учитель воспроизводил для своих учеников с впечатляющим эффектом. Он ежедневно проверял успехи молодых исследователей в своей лаборатории и часто вносил свои предложения.
Один из его бывших студентов говорил “Нам всем нравилась его характерная улыбка, и каждый из нас чувствовал удовольствие, услышав шаги, которые, как знал каждый, принадлежат Томсону”. Среди его учеников-лауреатов Нобелевской премии такие люди, как Резерфорд, Астон, Уилсон, Брэгг, Баркла, Ричардсон и Эпплтон — ученые, которые заложили важнейшие кирпичики физики элементарных частиц.
❯ Эрнст Резерфорд (1871 — 1937)
Самый известный ученик Дж. Дж. Томсона — Эрнст Резерфорд — автор прорывной планетарной модели атома. Лауреат Нобелевской премии 1908 года по химии Резерфорд родился в Новой Зеландии. В кавендишскую лабораторию он попал во много благодаря управленческим решениям Томсона, который в 1885 году смягчил правила и разрешил перспективным студентам без базового кембриджского диплома проводить исследования в лаборатории.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/40f/d65/e81/40fd65e81cf7f955bb1252f0c25f26ab.png)
Резерфорд был в числе первой группы зарубежных исследователей, которым в 1895 году разрешили работать в Кавендише. В первые дни эта «новая поросль» столкнулась с крайней враждебностью со стороны кадровых ученых лаборатории. Однако именно поддержка Томсона позволила Резерфорду сосредоточиться.
Примечательно, что нобелевскую премию Эрнст Резерфорд получил вовсе не за описание модели атома, а за исследование механизмов радиоактивного распада, что привело к открытию альфа-, бета-, гамма-излучения и инертного газа радона. После признания в 1908 году нобелевским комитетом его заслуг в области «исследования распада элементов и химии радиоактивных веществ» Резерфорд продолжил плодотворно работать и сделал множество открытий в физике элементарных частиц.
В 1919 году Резерфорд сменил своего учителя на посту руководителя кавендишской лаборатории. Последнее пристанище оба, кстати, наши в Вестминстерском аббатстве по соседству с другим кембриджским гением — Исааком Ньютоном.
❯ Фрэнсис Вильям Астон (1877 — 1945)
Томсон всегда был в поиске талантов и лично убеждал перспективных студентов работать в лаборатории. Одним из таких студентов был Фрэнсис Уильям Астон, которого переманили в Кавендиш для исследования анодных лучей.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/530/784/ef1/530784ef1da9c31759aec59c238b5238.png)
Прошлое место работы Астона — Бирмингемский институт, где он трудился под руководством Пойнтинга (с ним знакомы те, кто помнят одноименный вектор из школьной физики)
Основные исследования Астона были направлены на изучение изотопов — разновидностей атомов химического элемента, имеющие разные массы. Работа привела к созданию учителем и учеником масс-спектрографа — устройства, которое позволило Астону уже у 1919 году обнаружить 212 природных изотопов различных элементов.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/40b/29c/581/40b29c5814beff8d2171b8a0a6e6f019.png)
На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца, искажающая ее траекторию. Определяя разницу траекторий ионизированных атомов, движущихся в магнитном поле, можно делать выводы о соотношении массы и заряда иона.
Астон был удостоен Нобелевской премии в 1922 году за «сделанное им с помощью им же изобретенного масс-спектрографа открытие изотопов большого числа нерадиоактивных элементов и за формулирование правила целых чисел». После этого он еще несколько раз модернизировал устройство.
❯ Чарльз Томсон Вильсон (1869 — 1959)
Шотландский физик, который в начале планировал стать врачом, попал под крыло Томсона в 1892 году.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/064/3b4/23d/0643b423d3f58e0192f211f80b5a666f.png)
Через пару лет, наблюдая атмосферные эффекты в обсерватории на горе Бен-Невис (Шотландия), Вильсон приступил к попыткам воспроизвести их в лаборатории.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/d9c/a04/595/d9ca045956be440dfeea43fbe47bedc5.png)
Корона (слева) и глория (справа) — это оптические явления, обусловленные дифракцией света на капельках воды. Кстати, в Китае глорию называют «светом Будды». Цветное гало всегда окружает тень наблюдателя, что часто толковалось как степень его просветления (приближённости к Будде и другим божествам).
Исследования привели его к разработке облачной камеры, которая позволила отслеживать каждую отдельную субатомную частицу на фотографической пластинке. Камера Вильсона сделала возможными некоторые из крупнейших открытий в физике элементарных частиц, включая открытие позитронов (положительно заряженных электронов) и принесло её автору Нобелевскую премию в 1927 году.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/b63/d81/7eb/b63d817eb15cc937778d31f6163d12fa.png)
Быстрая заряженная частица, двигаясь сквозь облако перенасыщенного пара, ионизирует его. Процесс конденсации пара происходит быстрее в местах образования ионов. Как следствие, там, где пролетела заряженная частица, образуется след из капелек воды, который можно сфотографировать. Именно из-за такого вида треков камера получила свое английское название — облачная камера
❯ Уильямс Лоуренс Брэгг (1890 — 1971)
11 ноября 1912 года Джозеф Томсон на заседании Кембриджского философского общества представил статью молодого аспиранта Уильямса Брэгга, который в кавендишской лаборатории трудился всего лишь год.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/a23/f47/92f/a23f4792f66f0af69f3d1f16cb3a67ca.png)
Австралийский физик, уроженец г. Аделаида. Его сломанная в детстве рука появилась на первом в истории континента рентгеновском снимке, сделанном в медицинских целях.
В статье обсуждалась новая техника рентгеноструктурного анализа, а три года спустя, в 1915 году, автору, которому тогда было всего 25 лет, была присуждена Нобелевская премия по физике. Брэгг стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике и первым и пока единственным, кто завоевал это почетное звание вместе со своим отцом.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/843/b95/fe7/843b95fe7650ac9b97a33f29a9851098.png)
nλ = 2dsin θ — закон Брэгга-Вульфа. Точки на картинке — атомы кристаллической решетки.
Закон Брэгга позволил по известным λ и θ рассчитать положение атомов в кристалле по дифракционной картине, которую образуют рентгеновские лучи проходя сквозь кристаллическую решётку.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/be9/99f/fe3/be999ffe3cb13a5d524e89bf794aeaaf.png)
Дифракционная картина получается путем измерения интенсивности рассеянных волн как функции угла рассеяния. Пики Брэгга получаются на дифракционной картине, когда углы рассеяния удовлетворяют условию Брэгга для θ и исследуемой кристаллической структуры.
❯ Чарльз Гловер Баркла (1877 — 1944)
Как и многие нобелевские лауреаты из нашей подборки, Чарльз Баркла получил образование в Тринити-колледже, а затем перешёл под крыло Джозефа Томсона в кавендишскую лабораторию.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/090/ac5/a14/090ac5a14d6c542b2530cd117fff4548.png)
Гловер Баркла провел там около двух лет, работая над определением скорости электромагнитных волн в различных материалах. Определяющим вкладом Баркли в науку стало открытие того, что каждый атом имеет характеристический рентгеновский спектр, на который не влияют внешние факторы, такие как температура.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/dea/307/eb1/dea307eb119738a8e1c88b92d6b0ba42.png)
Исследования Баркли привели к т.н. закону Мозли, который вычислил конкретную формулу зависимости длины волны характеристического излучения от порядкового номера элемента. Закон удивителен тем, что это зависимость — линейная! На горизонтальной оси отмечены корень из частоты и длина волны, на вертикальной — зарядовое число.
В 1916 году Гловера Баркла отошел от дел и начала преподавать философию. Впрочем, награда всё равно нашла своего героя, и в 1917 ученый удостоился Нобелевской премии.
❯ Оуэн Уилланс Ричардсон (1879 — 1959)
Биография всех, о ком мы сегодня говорили, похожа как две капли воды: отличное школьное образование и заслуженные студенческие стипендии, которые позволили «засветиться» и попасть к Томсону. Оуэн Ричардсон — не исключение.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/5fd/529/019/5fd5290197fe276775e15e708b1aa097.png)
Биография всех, о ком мы сегодня говорили, похожа как две капли воды: отличное школьное образование и заслуженные студенческие стипендии, которые позволили «засветиться» и попасть к Томсону. Оуэн Ричардсон — не исключение.
В 1900 году он начал исследовать явление термоэлектронной эмиссии («эффект Эдисона»), заключающееся в том, что при нагревании металла электроны набирают достаточно энергии, чтобы преодолеть потенциальный барьер.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/fa8/441/a09/fa8441a09b881282973eb8f044030c14.png)
Термоэлектронная эмиссия в электровакуумном диоде. При подаче положительного напряжения на анод через вакуум между катодом и анодом протекает электрический ток, при обратной полярности напряжения тока нет. Стрелками показано направление движения электронов, направление тока обратно направлению движения электронов.
Вот только Эдисон смог подтвердить термоэлектронную эмиссию на опытах, а Ричардсон придал ей статус строгого физического закона. Конечно, у Оуэна было преимущество — благодаря своему учителю он знал, что существуют электроны.
Оказалось, что при увеличении анодного напряжения сила тока возрастает до некоторого максимального значения, при котором ток называется током насыщения, и далее не увеличивается при последующем повышении напряжения на аноде.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/89a/a5a/0ad/89aa5a0ad69548825880191199ee8cb5.png)
Ток насыщения пропорционален квадрату температуры, k — постоянная Больцмана, А и В' — параметры, зависящие от материала катода и определяющие его способность к термоэлектронной эмиссии
Именно за эту формулу Ричардсон и получил в 1928 году Нобелевскую премию, а явление термоэлектронной эмиссии привели к небывалому развитию электровакуумных приборов, которые затем использовались в качестве выпрямителей переменного тока.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/557/ba9/b90/557ba9b90ab25954cdb079e1ff0c9386.png)
Кенотроны — выпрямительные электровакуумные устройства, работающие по принципу термоэлектронной эмиссии. До сих пор можно встреть у любителей «ламповой музыка». Их несомненное достоинство — отсутствие искажений, присущих полупроводниковых устройствам.
❯ Эдуард Виктор Эплтон
Эплтон получил Нобелевскую премию в 1947 году — уже после смерти своего учителя и руководителя кавендишской лаборатории.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/f5e/da5/9d5/f5eda59d5a17bdbcbec91eddb2291c2a.png)
В лаборатории Эдуард активно взаимодействовал с Вильсоном, узучая атмосферные явления, но цель исследования была другой. Эплтон интересовался устройством атмосферы, а именно её загадочным слоем, который оказывал сильное влияние на распространение коротковолновых радиосигналов.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/571/03e/e1e/57103ee1ed43171c423f3f8ea9b1bb46.png)
Опыты Маркони в 1902 году показали, что распространение КВ-радиоволн возможно не только в пределах прямой видимости, но и через переотражения от некоего атмосферного слоя, что позволяло принимать радиосигналы на другой стороне земного шара
Английский физик Оливер Хевисайд в 1902 году предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере. Его теория включала в себя возможность распространения радиосигнала вокруг Земли, несмотря на её кривизну. Независимо от Хевисайда эксперименты по дальнему приёму коротких волн через Атлантику между Европой и Америкой проводил американский инженер-электрик Артур Кеннели. Они предположили, что где-то вокруг Земли существует ионизированный слой атмосферы, способный отражать радиоволны. Его назвали слоем Хевисайда — Кеннели, а затем — ионосферой.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/7e5/796/c28/7e5796c28e1ac7d1bfdef785c9c28eba.png)
Слой Д 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 Эплтона) физик получил заслуженную награду. В серии экспериментов было определено, что он расположен на высоте 300-400 км над поверхностью Земли. Методика, которую Эплтон использовал в ходе исследований, оказала огромное влияние на развитие радиолокации.
❯ P.S.
В своей статье я рассказал про 7 нобелевских лауреатов, которые достигли вершины научной карьеры под руководством Томсона. Однако, есть еще один великий ученый, к которому Джозеф имеет непосредственное отношение. Это его сын — Джордж.
![image](https://habrastorage.org/getpro/habr/upload_files/ef6/28d/86c/ef628d86ca75ad067624dc34b64c31b4.png)
В то время, как отец подтвердил существование электрона как отдельной частицы (корпускулы), сын доказал, что электрон имеет волновые свойства, что стало первым экспериментальными доказательством принципа корпускулярно-волнового дуализма, сформулированном де Брейлем в 1920 году. Нобелевку за это открытие Джордж получил еще при жизни отца — в 1937 году.
Спасибо за внимание! Много интересного — в Telegram «Математика не для всех»
Возможно, захочется почитать и это:
- ➤ Чудовищное уравнение 45-ой степени, которое Франсуа Виет решил в 16 веке
- ➤ Наследник АЦПУ внутри калькулятора
- ➤ Разбираем TLS по байтам. Часть 1: кто такой этот ваш HTTPS?
- ➤ Удивительные клеточные автоматы: дефицитные правила
- ➤ Dark Souls, Project Dark: семь раз умри, один раз убей
Комментарии (4)
Lunatikoff
29.09.2023 05:59+2Потрясающе! Большое спасибо за интереснейший материал. Чётко , кратко и очень познавательно, прям для меня идеальный баланс сведений, наглядности и интереса продолжить "копать" эту историю в ширь, так сказать. Надо будет ребятам в школе дать пищу для размышлений и подготовки докладов о 7 "научных сыновьях" Томсона. Будучи выпускником физфака пед вуза начала 2000х сам не знал и половины материала в исторической её части. Если копнуть глубже в исследования и труды перечисленных в статье учёных, наверняка обнаружится какая-то общая методология от преподавателя Томсона.
andreybrylb Автор
29.09.2023 05:59"обнаружится какая-то общая методология от преподавателя Томсона " - исследование всего. что связано с электроном)
Pusk1
29.09.2023 05:59+1Спасибо за отличную статью. Прекрасный и в меру развёрнутый рассказ про новую для меня сторону таланта Джона Томсона.
Merle79
Да, только, благодаря таким людям, прогресс в области науки не стоит на месте. Заняли достойное место в истории