История систем единиц измерения физических величин. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Представление о поле впервые ввел в физику Фарадей. Обобщение опытных фактов привело Фарадея к двум фундаментальным выводам: первый — электрических флюидов не существует, электричество связано с атомами вещества; второй — дальнодействия не существует, электрические и магнитные силы распространяются по кривым линиям, их конфигурация зависит от свойств среды, через которую они распространяются (близкодействие).
Суть физического представления, которое оформилось в науке со времен Ньютона в концепцию дальнодействия, сводилось к тому, что тела природы и частицы, составляющие эти тела, взаимодействуют между собой. Силы взаимодействия направлены по прямым линиям, которые можно провести от тела к телу, от одной частицы к другой, причем эти силы действуют мгновенно. Такая картина рисовалась для сил тяготения, электрических и магнитных сил.
Фарадей впервые указал, что эта концепция противоречит опытным фактам в области электромагнитных явлений,ч Ключевым моментом было получение силовых линий вокруг заряженных тел и линий магнитной индукции вокруг постоянных токов. Фарадей разработал методику выявления конфигураций силовых линий и линий магнитной индукции, которой пользуются до сих пор для демонстраций. Тот факт, что линии сил являются кривыми, и их конфигурация изменяется в зависимости от свойств среды, окружающей заряженные тела, послужил основой для первых представлений об электромагнитном поле.
Впервые представление о силовой линии появилось у Эпинуса. Далее их использует И. Зеебек в работе «О магнетизме электрической цепи (1822). С целью доказать существование «магнитной атмосферы» вокруг проводника с током Зеебек осуществил известный опыт с железными опилками. Он нашел, что опилки располагаются вокруг проводника концентрическими кругами. Пропуская ток через согнутую в дугу стальную ленту, Зеебек показал, что картина линий магнитной индукции, очерченных опилками, изменяется при сближении сторон дуги. Таким путем он пытался трактовать причину магнитных действий тока с точки зрения процессов, развивающихся в «магнитной атмосфере» — области пространства, в которой обнаруживаются магнитные силы.
Таким образом, линии магнитной индукции были известны физикам. Но никто не придавал им существенного значения.
Фарадей впервые увидел в картине силовых линий эффективное средство для выражения фактов электромагнетизма. Сначала Фарадей вводит понятие «магнитных кривых» согласно следующему определению: «Под магнитными кривыми я понимаю линии магнитных сил, хотя и искаженные соседством полюсов; эти линии вырисовываются железными опилками; к ним касательно располагались бы весьма небольшие магнитные стрелочки».
На языке «магнитных кривых» и удалось впервые сформулировать закон электромагнитной индукции, охвативший все случаи возбуждения индукционного тока. Вот первая формулировка закона:
«Индуцированный электрический ток, возбуждаемый в движущихся по отношению к магнитам телах, зависит от пересечения магнитных кривых металлом. Если конечный провод перемещается так, что пересекает магнитную кривую, то возникает сила, которая стремится направить сквозь него электрический ток…
Если одна часть провода или металла пересекает магнитные кривые, тогда как другая неподвижна, то токи возникают…»
«Если весь металл движется в одном и том же направлении, но угловые скорости отдельных его частей по отношению к полюсу магнита различны, то токи возникают. Так обстоит дело в опыте Араго, а также в проводе, подвергаемом действию земной индукции, когда он перемещается с запада на восток».
Опыт Араго был опубликован в 1822 г. Металлический диск, подвешенный над магнитом, начинает вращаться при вращении магнита. Равным образом вращается магнит, подвешенный над вращающимся диском. Объяснение этого опыта было дано после открытия правила Ленца.
В середине XIX в. Фарадей высказал следующую смелую гипотезу: силовые линии являются передатчиками световых движений; свет имеет электромагнитную природу, он обусловлен колебаниями в линиях электромагнитного поля, соединяющих Солнце и Землю. Для распространения этих колебаний требуется определенное время.
Силовые линии по Фарадею — это определенные физические образования, аналогичные деформированным резиновым трубкам или жгутам. Так Фарадей материализовал представление об электромагнитном поле.
Современная физика отвергла это механическое представление, однако сохранила основную идею Фарадея: электромагнитное поле является своеобразным материальным объектом. Материальность обнаруживается не в механических эффектах деформаций, натяжений, давлений, а в наличии энергии, импульса, момента импульса, в распространении поля с конечной скоростью.
Идеи Фарадея были обобщены и выражены в математической форме английским физиком Максвеллом.

Джеймс Клерк Максвелл родился 13 июня 1831 г. в Эдинбурге в шотландской семье, имевшей богатую родословную. Каждое поколение ее давало выдающихся деятелей, игравших важную роль в общественной жизни Шотландии. Родители Джеймса были людьми высокой культуры, с разносторонними интересами. .
Детство Максвелла прошло в Гленлере. С ранних лет он был необычайно любознателен и активен. Мать умерла, когда мальчику шел девятый год, его воспитывал отец. Начальное образование Максвелл получил в Гленлере. Десяти лет он поступил в Эдинбургскую академию. Уже здесь проявилась его необычайная одаренность, прежде всего в математике. Максвеллу не было еще и 15 лет, когда он написал статью «О механическом методе построения кривых некоторого типа». В академии Максвелл учился шесть лет, затем поступил на три года в Эдинбургский университет, где занимался теорией и экспериментом, используя предоставленные ему профессором Форбсом лекционные аппараты. Здесь он опубликовал две работы, говорящие об увлечении проблемами геометрии и механики.
В I860 г. Максвелла принимают в Кембриджский университет. Здесь он учится у Гопкинса, выдающегося педагога, воспитавшего Стокса и Вильяма Томсона. Блестящие способности шотландского студента открывают ему двери знаменитого Тринити-колледжа, в котором учился Ньютон. Здесь Максвелл остается на два года после окончания университета. Именно в этот период он углубляется в «Экспериментальные исследования» Фарадея. В конце 1855 г. он публикует основополагающую работу «О фарадеевых линиях сил». Однако работа над математическим оформлением идей Фарадея прерывается. Умирает отец, и молодому ученому приходится позаботиться о карьере, обеспечивающей материальную независимость.
25-летний Максвелл — профессор натуральной философии в Абердине. Он подтверждает это высокое звание публикацией «Геометрической оптики» и «Колец Сатурна». Последняя работа получила громкую известность и была удостоена премии Адамса.
С 1860 по 1865 г. Максвелл руководит кафедрой физики в Лондонском Королевском колледже. Это были самые плодотворные годы: работы по теории познания, теоретической оптике, теории цветов, кинетической теории га-¦зов и, самое главное, серия работ по теории Электромагнитного поля.
В 1865 г. Максвелл оставляет колледж и удаляется в свое имение для завершения работы над двухтомным «Трактатов по электричеству и магнетизму». Через шесть лет он принимает предложение Кембриджского уни« верситета занять место профессора экспериментальной физики и возглавить строительство и организацию лаборатории имени Кавендиша. Он планирует здание, оснащает лабораторию аппаратурой, организует исследования. Плодотворная деятельность Максвелла в качестве руководителя Кавендиш-ской лаборатории продолжалась до 5 ноября 1879 г., когда тяжелая болезнь прервала жизнь гениального ученого.

Перед тем как приступить к построению теории электромагнитного поля, Максвелл тщательно изучил экспериментальные исследования Фарадея. Он нашел, что Фарадей в своих поисках опирался на систему воззрений, которая могла быть выраже на в математической форме. Фарадее.вское представление об электромагнитном поле было непосредственным, чувственно представимым выражением данных опыта. Максвелл нашел математические представления, адэкватные моделям Фарадея. Они позволили глубже заглянуть в сущность электромагнитных явлений и предсказать основные свойства электромагнитного поля.
Согласно Максвеллу, электромагнитное поле — это силовое поле вокруг заряженных тел, токов и магнитов. Его существование обнаруживается по действию электрических сил на заряды и магнитных сил на токи. Электромагнитное поле имеет две векторные компоненты — электрическую и магнитную. При изменении электрической компоненты возникает магнитная и, наоборот, изменение магнитной компоненты порождает электрическую. Из математической теории следовало, что электромагнитное поле должно распространяться в виде волн со скоростью света от тех мест, где происходят изменения электрической или магнитной компонент.
В 1865 г. Максвелл теоретически предсказал существование электромагнитных волн, открытых впоследствии Герцем. Из теории Максвелла следовало, что свет имеет электромагнитную природу — это электромагнитные волны с длиной около 10^-7 м. Максвелл показал, что электромагнитная волна переносит определенную энергию, при падении на препятствие она должна оказывать давление. Теория позволяла, в частности, вычислить давление света на поглощающую или отражающую поверхность.
Давление электромагнитных волн означает, что электромагнитное поле переносит вместе с энергией определенный импульс. Электромагнитная волна может оказывать и вращающее действие на препятствие. Все это доказательства материальности электромагнитного поля.
Теория относительности расширила рамки теории электро-магнитного поля Максвелла. Она дала возможность решать задачи на определение величин, характеризующих электромагнитное поле в движущихся системах. Она принесла еще одно подтверждение материальности электромагнитного поля. Согласно теории относительности, электромагнитному полю мы можем приписать массу, пропорциональную переносимой ею энергии.
Развитие квантовой теории электромагнитного излучения показало, что массу электромагнитного поля можно представить в виде суммы масс элементарных частиц материи — фотонов.

Методические замечания. 1. Введение понятия электромагнитного поля вызывает особые методические трудности. Ряд представлений, относящихся к электромагнитному полю, не имеет однозначной трактовки. Чтобы не сбиться на спор о вкусах, необходимо внимательно рассмотреть точку зрения первооткрывателей.
2. Обстоятельный исторический экскурс в этой части необ ходим и по соображениям методологического характера. Введение в физику полевых представлений явилось актом революционного значения. Речь идет о переходе от механического мировоззрения, представлявшего материю в виде совокупностичастиц, между которыми мгновенно действуют центральные силы, к мировоззрению диалектико-материалистическому, рассматривающему поле как реальный объект, существующий и взаимодействующий с частицами. Рассказать, как произошел этот переход, так же важно, как осветить переход от системы Птолемея к системе Коперника.
3. Понятие электромагнитного поля многогранно, и на школьном уровне следует ограничиться рассмотрением тех сторон понятия, которые могут быть эффективно усвоены учащимися.
Первым является, естественно, образное представление поля системой силовых линий и линий магнитной индукции! Следует только предостерегать учащихся от отождествления механических образов Фарадея с реальностью, подчеркивать, что механические модели помогают представить чувственно процессы, скрытые от непосредственных восприятий, но это не значит, что эти процессы сводятся к механическим.
Свойства электромагнитного поля обнаруживаются при его взаимодействии с пробными телами. Наблюдаемые цепочки легких тел или железных опилок представляют собой конечный результат сложных процессов взаимодействия в электромагнитном поле, не сводящихся к механическим движениям. Самая важная грань понятия электромагнитного поля выражается в свойстве его компонент порождать друг друга, переходить, друг в друга при изменении системы отсчета.

Открытие предсказанных Максвеллом электромагнитных волн было делом немецкого физика Генриха Герца.

Герц родился в 1857 г. в Гамбурге в семье юриста. После окончания школы юноша решил посвятить себя инженерной деятельности и поступил в Мюнхенский политехникум. Однако все возрастающее влечение к физике привело его на физико-математический факультет Берлинского университета. Здесь он вскоре был замечен Гельмгольцем и стал работать под его руководством. В лаборатории Гельмгольца он прошел блестящую экспериментальную и теоретическую школу. Тематика его работ вначале многообразна: механика, термодинамика, электричество, магнетизм и т. д. Решающим для выбора основного направления был 1879 год, когда Берлинская академия наук по инициативе Гельмгольца объявила конкурсную проблему: «Доказать экспериментально наличие какой-либо связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией изоляторов». Гельмгольц обратил внимание Герца на глубину и принципиальную важность проблемы, и она становится в центре внимания молодого ученого.
В течение семи лет (с 1879 по 1886 г.) Герц искал пути решения поставленной Гельмгольцом задачи. «Счастливый случай,— пишет Герц,— представился^ мне осенью 1886 г.». Именно тогда он открыл возможность получения регулярных колебаний высокой частоты и заметной интенсивности в коротких металлических проводниках. Открытие было вскоре сообщено, в работе «О весьма быстрых электрических колебаниях».
До Герца считали, что для осуществления интенсивных электрических колебаний необходимы контуры с большими индук-тивностями и емкостями. Напомним, что электрические колебания были обнаружены при разряде лейденских банок и исследовались далее с помощью катушек Румкорфа.
Эти колебания, естественно, имели большой период и совершались в замкнутых контурах. Теория показывала, что для увеличения интенсивности электромагнитного излучения контура нужно уменьшить период колебаний.
Из формулы Томсона следовало, что для этого нужно уменьшить L и С. Но опыты обнаружили сразу же новую трудность: уменьшение интенсивности колебаний, связанное, как мы теперь знаем, с увеличением потерь энергии в контуре. «Счастливый случай», о котором пишет Герц, позволил устранить эту трудность — найти возможность увеличения частоты колебаний, сохраняя их интенсивность: «в коротких металлических проводниках могут быть возбуждены колебания, свойственные этим проводникам».
Был совершен переход к открытому колебательному контуру. Оказалось, что для возбуждения электрических колебаний вовсе не обязательно наличие емкостей и индуктивностей, что излучение более интенсивно, напротив, при их рассредоточении. Это было самое важное, ибо интенсивное излучение можно было обнаружить грубыми приборами.
Для исследования поля излучения необходим был теперь детектор. Герц открыл возможность детектирования колебаний. Он улавливал электромагнитные колебания с помощью контура и измерял их интенсивность по длине искр в микрометре. Вибратор и детектор (резонатор) Герца изображены на рисунках 11 и 12.

Герц установил три важнейших факта:

1. колебания можно возбудить в линейном проводнике;

2. электрическая  искра  является  генератором  электромагнитных колебаний;

3. колебания  можно уловить  на  значительном  расстоянии от генератора с помощью контура, в котором индикатором колебаний также служит электрическая искра.

По поводу последнего пункта Герц писал в своих воспоминаниях:
«Особенно приводили меня в изумление все большие расстояния, вплоть до которых я мог обнаружить действие. До тех пор привыкли считать, что электрические силы убывают по закону Ньютона и, следовательно, с увеличением расстояния быстро становятся незаметно малыми».
Герц открыл  по  существу  новую область экспериментирования, в которой были тесно переплетены важнейшие физические проблемы.  Непрерывно  возникали  все  новые вопросы  и теоретического, и экспериментального характера. В ходе опытов обнаруживались новые явления, например факт действия ультрафиолетового света на заряд шарика микрометра, который явился отправным пунктом работ по фотоэффекту. Нужна была величайшая       целеустремленность, чтобы не сбиться с прямого пути.
В начале 1888 г. Герц доказывает, что «индукционное действие распространяется в воздухе с конечной скоростью». Однако эксперимент он не считает убедительным (особенно для тех, кто относится к теории Максвелла с предубеждением) и публикует вслед за этим свою знаменитую статью «Об электродинамических волнах в воздухе и об их отражении». Именно в этом исследовании в «почти непосредственно осязаемой форме»   были   получены   электромагнитные волны, или, как говорил Герц, «волнообразное распространение индукции в воздухе».
Герц обнаружил, что «в некоторых положениях вторичного контура, например при приближении к стене, искры снова делаются вполне отчетливыми, но в непосредственной близости к стене они снова исчезают»  (подчеркнуто мною.— В. Д.).
Герц дает следующее «простейшее» объяснение наблюдаемому факту: «волнообразно распространяющееся индукционное действие отражается от стен, причем отраженные волны в некоторых местах усиливают падающие, в других—ослабляют, в результате чего, благодаря интерференции обеих волн, в воздухе образуются стоячие волны».

Опыты, производимые Герцем, давали «осязаемые» результаты: круговым контуром с разрядником в качестве детектора можно было буквально «прощупать» волну.
Итак, факт существования электромагнитных волн ,был установлен. Однако основные результаты опытов вуалировались целым рядом побочных явлений. Первые попытки уменьшить длину электромагнитной волны, излучаемой вибратором, не дали желаемых результатов, не удалась также сначала концентрация «электрических лучей» с помощью вогнутых металлических зеркал.
Герц проводит теоретический анализ, который указал пути дальнейших экспериментальных исследований электромагнитных волн. Теория показывала, что «прощупать» электромагнитную волну, выяснить ее свойства можно только повысив мощность излучения. Последнее могло быть достигнуто, с одной стороны, уменьшением длины волны, с другой — фокусировкой «лучей электрической силы». Опыты были успешными: Герц получил свободную электромагнитную волну, интенсивность которой была достаточной для проведения решающих экспериментов. Результаты их были опубликованы в 1889 г. в работе «О лучах электрической силы».
«Мне удалось,— пишет Герц во введении к этой работе,— получить отчетливые лучи электрической силы и произвести при их помощи все элементарные опыты, которые производятся со световыми и тепловыми лучами».
Вначале Герц описывает устройство приборов, с помощью которых были осуществлены исторические опыты. Излучатель представлял собой цилиндрическое медное тело диаметром 3 см и длиной 26 см. Посредине оно было разрезано и снабжено искровым промежутком, полюсы которого образованы двумя сферическими поверхностями радиусом 2 см. Длина проводника приблизительно равнялась половине длины волны, соответствующей колебанию, возникающему в прямом проводе. Уже отсюда можно было сделать примерное заключение о периоде колебаний. Разряд подводился к обеим половинам проводника при помощи двух проводов, покрытых изоляцией; эти провода припаивались по обе стороны искрового промежутка. Индуктор позволял получить между остриями искру длиной 4,5 см.
Для обнаружения электрической силы в пространстве использовались маленькие искры, появлявшиеся при определенных условиях во вторичном проводнике. Применялся круговой проводник, имевший собственную частоту колебаний, примерно равную частоте первичного проводника. Радиус круга составлял 7,5 см; круг был сделан из медной проволоки толщиной 1 мм. Один конец проволоки оканчивался латунным шариком диаметром в несколько миллиметров, другой конец был заострен и мог быть установлен на очень маленьком расстоянии от латунного шарика при помощи микрометрического винта, изолированного от проволоки.
«При некотором навыке,— пишет Герц,— удавалось оценивать интенсивность процесса не столько по длине искр, сколько по их яркости». Измерения показали, что длина волны, излучаемой описанным генератором, составляет около 60 см.
Далее Герц переходит к изложению решения следующей части задачи — концентрации энергии электромагнитных волн. Было изготовлено вогнутое зеркало из цинкового листа размером 2x2x5^.10^-4 м, укрепленного на деревянной раме, длина зеркала составляла 2 м, ширина отверстия 1,2 м, глубина 0,7 м, фокусное расстояние получилось равным 12,5 см. Вибратор устанавливался в середине фокальной плоскости. Такое устройство дало возможность получить волну, которая «прощупывалась» в направлении оптической оси на расстояниях 5—6 м. «Так как явления наблюдаются лишь вблизи оптической оси зеркала,— писал Герц,— то можем сказать, что из зеркала выходит электрический луч».
Чтобы увеличить расстояние, на котором обнаруживалась электромагнитная волна, Герц изготовил второе вогнутое зеркало, «вполне подобное первому, и расположил в нем прямолинейный вторичный проводник таким образом, чтобы обе проволоки, имевшие 50 см длины, совпали с фокальной линией, а обе проволоки, ведущие к искровому промежутку, кратчайшим путем выходили через стенку зеркала, от которой они были изолированы. Таким образом, искровой промежуток находился как раз сзади зеркала, и наблюдатель мог устанавливать его и рассматривать, не искажая распространения волн». Таким способом Герцу удалось довести расстояние, на котором «прощупывалась» волна, до  16 м.
С описанными приборами Герц и провел классические опыты, показавшие с необычайной убедительностью, что электромагнитные волны обладают такими же свойствами, как и световые лучи.
Первый опыт на прямолинейное распространение был поставлен  так:   «Если   на прямой, соединяющей зеркала, расположить перпендикулярно направлению луча экран из цинкового листа 2 м высоты и 1 м ширины, то вторичные искры совершенно исчезают. Столь же полную тень дает ширма из станиоля или золотых листочков».
Герц отмечает здесь же факт фундаментального значения: «изоляторы не задерживают луча, он проникает через деревянную стену или деревянную дверь, так что не без удивления можно наблюдать возникновение искр внутри закрытой комнаты».
Второй опыт был посвящен поляризации электромагнитных волн. «Если вращать приемное зеркало вокруг луча, пока его фокальная линия, ас ней и вторичный проводник не располагаются горизонтально, то можно заметить, что вторичные искры все более и более ослабевают, а при перекрещенном положении обеих фокальных линий совершенно исчезают, даже если поместить зеркала очень близко друг к другу. Оба зеркала играют роль поляризатора и анализатора…
Я сделал восьмиугольную раму 2 м высоты к 2 м ширины и натянул на ней медные проволоки 1 мм толщины; все проволоки были параллельны друг другу и располагались через каждые 3 см. Если установить фокальные линии обоих зеркал параллельно и расположить между ними решетку перпендикулярно лучу так, чтобы направление проволок было перпендикулярно направлению фокальных линий, то наличие решетки не оказывает влияния на вторичные искры. Если же решетка установлена так, что ее проволоки параллельны фокальным линиям, то она полностью задерживает луч. Таким образом, в отношении проходящей энергии решетка ведет себя подобно турмалиновой пластинке, действующей на прямолинейно поляризованный оптический луч».
Следующий опыт показывал отражение электромагнитных волн: «В большом помещении были поставлены оба вогнутых зеркала рядом таким образом, что их отверстия были обращены в одну и ту же сторону, а их оси, пересекались в точке, удаленной от зеркал приблизительно на 3 м. При этом искровой промежуток в приемном зеркале оставался темным. Далее была установлена плоская вертикальная стенка из цинкового листа в 2 м высоты и 2 м ширины в точке пересечения осей зеркал, причем она стояла перпендикулярно биссектрисе угла, образованного осями. При этом в приемном зеркале наблюдается интенсивное искрообразование, вызываемое лучом, отраженным от стенки».
Герц устанавливает далее, что углы падения и отражения равны друг другу.
После этого последовали опыты по преломлению волн. Герц изготовил призму из асфальта. Сечение ее представляло равнобедренный треугольник с длиной сторон 1,2 м; преломляющий угол был близок к 30°. Высота всей призмы, преломляющее ребро которой было вертикально, составляла 1,5 м. Пропустив через призму «электрический луч», Герц убедился в том, что и в этом случае выполняются законы оптики.
Опыты были поразительны по простоте и .убедительности; кратчайшим путем они привели к фундаментальному заключению: «представляется весьма вероятным, что описанные опыты доказывают идентичность света, тепловых лучей и электродинамического волнового движения».
Здесь выражен непосредственный результат опытов с лучами «электрической силы». Но этим сказано далеко не все. Описанные эксперименты имели более глубокое философское значение.
В известной обзорной статье «Исследования по распространению электрической силы» Герц дает следующую оценку своих работ: «Совокупностью описанных опытов впервые было дано доказательство распространения с конечной скоростью силы, которая считалась действующей на расстоянии мгновенно. Этот факт составляет философское и вместе с тем в известном смысле важнейшее достижение опытов. В этом доказательстве содержалось познание того, что электрические силы могут отделяться от весовых тел и существовать далее самостоятельно как состояния или изменения пространства».
Герц представил электромагнитное поле как реальность, доступную экспериментальному исследованию. Его опыты указали путь к практическому использованию теории электромагнитного поля.
Методическое замечание. В учебнике кратко рассказывается об открытии электромагнитных волн. Предлагаемый обзор детализирует и углубляет этот материал. Необходимо иметь в виду, что после установления факта существования электромагнитных волн Герц занялся подтверждением электромагнитной теории света. В обзоре рассказано об этих опытах, так что он несколько опережает материал существующей программы. Учитель должен знать всю цепь экспериментов. Учащимся о «лучах электрической силы» следует рассказать в разделе оптики.
Опыты Герца просты в постановке и в высшей степени поучительны. Их повторение может послужить предметом увлекательной работы школьного физического кружка. Экскурс в историю формирования понятия электромагнитного поля содержит необходимый теоретический материал для разъяснения экспериментов, приведших к радиотехнике.

В 1887 г. Герц при постановке своих знаменитых экспериментов обнаружил, что разряд между двумя металлическими шариками происходит при меньшем напряжении, если их освещать ультрафиолетовым светом. 
Факт вызвал всеобщий интерес и был подвергнут обстоятельному изучению. В 1888 г. немецкий физик Гальвакс установил, что при освещении газоразрядного промежутка активную роль играет металлическое тело, присоединенное к. отрицательному полюсу источника напряжения. Оказалось, что отрицательно заряженное тело при освещении теряет свои заряд. Теряет ли его положительно заряженное тело? По этому вопросу спорили, так как результаты наблюдений не были однозначными. Экспериментировали с зарядами при высоких потенциалах. Опыты носили качественный характер. 
Количественное изучение явления, приведшее к установлению определенных закономерностей, а затем к раскрытию его природы, было начато замечательным русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839 — 1896). 
В работе «Актиноэлектрические исследования» Столетов писал: «Повторяя в начале 1888 года интересные опыты гг. Герца, Э. Видемана и Эберта Гальвакса относительно действия лучей на электрические разряды высокого напряжения, я вздумал испытать, получится ли подробное действие при электричестве слабых потенциалов. Кроме прямого ответа на заданный вопрос, такое, видоизменение опытов представляло, на мой взгляд, двоякий интерес: с одной стороны, оно позволило бы ярче выставить на вид загадочное действие лучей, не смешивая его с обыкновенным рассеиванием электрических зарядов (которое в случае слабых потенциалов бывает вообще ничтожно); с другой стороны, явилась бы возможность подвергнуть явление более точному измерительному изучению, чем это имело место в опытах названных ученых. 
Моя попытка имела успех выше ожидания. Первые мои опыты начаты около 20 февраля 1888 года и продолжались непрерывно, насколько позволяли другие занятия, по 21 июня 1888 года. В течение этого времени мне удалось, полагаю, осветить некоторые любопытные вопросы относительно «актиноэлектрических действий». 
Основной опыт Столетова состоял в следующем. Два металлических диска диаметрами 22 см (один сплошной, другой — из металлической сетки) были установлены вертикально против дугового фонаря. Диски соединялись через источник напряжения и чувствительный томсоновский гальванометр (его внутреннее сопротивление было 5212 Ом). При освещении сплошного металлического диска, присоединенного к отрицательному полюсу батареи, возникал ток, причем гальванометр фиксировал его до напряжения 0,01 В. 
«Слово «ток»,— писал Столетов,— употреблено в своем общем смысле, не решая пока, какого рода процесс здесь происходит,— кондуктивный, электролитический или конвективный». 
Электронная теория в то время еще не была построена, и физики различали три вида тока проводимости. Открытие электрона показало, что все токи проводимости суть конвекционные токи. А пока природа явления была не ясна, приходилось накапливать и классифицировать факты. Столетов в заключение своей работы формулирует следующие результаты: 
«1. Лучи вольтовой дуги, падая на поверхность отрицательно заряженного тела, уносят с него заряд. Смотря по тому, пополняется ли заряд и насколько быстро, это удаление заряда может сопровождаться заметным падением потенциала или нет. 
2. Это действие лучей есть строго униполярное; положительный заряд лучами не уносится. 
3.По всей вероятности, кажущееся заряжение нейтральных тел лучами объясняется той же причиной.
4. Разряжающим действием обладают, если не исключительно, то с громадным превосходством перед прочими лучами, лучи самой высокой преломляемости, недостающие в солнечном спектре (). Чем спектр обильнее такими лучами, тем сильнее действие.
5. Для разряда лучами необходимо, чтобы лучи поглощались поверхностью тела. Чем больше поглощение активных лучей, тем поверхность чувствительнее к их разряжающему действию.
6. Такой чувствительностью, без значительных различий, обладают все металлы, но особенно высока она у некоторых красящих веществ (анилиновых красок)…
7. Разряжающее действие лучей обнаруживается даже при весьма кратковременном освещении, причем между моментом освещения и моментом соответственного разряда не протекает заметного времени.
8. Разряжающее действие ceteris paribus пропорционально энергии активных лучей, падающих на разряженную поверхность.
9. Действие обнаруживается даже при ничтожных отрицательных плотностях заряда; величина его зависит от этой плотности; с возрастанием плотности до некоторого предела оно растет быстрее, чем плотность, а потом медленнее и медленнее.
10. Две пластинки разнородных в ряду Вольты металлов, помещенные в воздухе, представляют род гальванического элемента, как скоро электроотрицательная пластинка освещена активными лучами.
11. Каков бы ни был механизм актиноэлектрического разряда, мы вправе рассматривать его как некоторый ток электричества, причем воздух (сам ли по себе или благодаря присутствию в нем посторонних частиц) играет роль дурного проводника. Кажущееся сопротивление этому току не подчиняется закону Ома, но в определенных условиях имеет определенную величину.
12. Актиноэлектрическое действие усиливается с повышением температуры».

Из этих фактов Столетов делает вывод, намечающий верную перспективу. Он указывает на главное: для возникновения актиноэлектрического действия «нужна газовая среда, т. е. нужен простор и полная удобоподвижность частиц». 
Интересно заключение рассматриваемой работы: «Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторой своеобразной аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными разрядами гейслеровых и круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений, представляемых моим сетчатым конденсатором, я невольно говорил себе (понимая всю странность этих слов), что предо мною — гейслерова трубка, могущая действовать и без разрежения воздуха, трубка не с собственным, а с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связаны со световыми, там и здесь катод играет особенную роль и, по-видимому, распыляется. Изучение актиноэлек-трнческих разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще». 
Так был сделан первый шаг. 
В 1897 г. Дж.Дж. Томсон открыл электрон и начал серию экспериментов с целью доказать, что электрон является элементарной частицей вещества и обусловливает множество физических явлений. Явление фотоэффекта сыграло при этом одну из главных ролей. Томсон, по существу, продолжает исследование Столетова. 
Идея опыта с фотоэлектронами заключалась в следующем (рис. 13). Рассмотрим конденсатор Столетова в магнитном поле с индукцией . Томсон показал, что траекторией фотоэлектронов в перпендикулярном электрическом и магнитном полях будет циклоида с радиусом . Томсон показал, что траекторией фотоэлектронов в перпендикулярном электрическом и магнитном полях будет циклоида с радиусом , где Е_х — компоненты электрического поля, В_z — магнитного, т и е — масса и заряд электрона. Если расстояние между пластинами А и В будет больше электроны не достигнут пластины В, и ток в цепи прекратится. Измерив расстояние между А и В,при котором магнитное поле начнет уменьшать ток, зная Е и В, можно определить удельный заряд фотоэлектрона. 
Схема установки Томсона показана на рисунке 14. Здесь АВ — тщательно отшлифованная цинковая пластинка диаметром около 1 см, CD— решетка с квадратными ячейками площадью 1 мм² из тонкой проволоки, припаянная к проволочному кольцу, EF— кварцевая пластинка, толщиной 4 мм, L — стержень, проходящий через восковую пробку; к проводникам К иМ подключалась батарея аккумуляторов и квадрантный электрометр. 
Магнитное поле создавалось дугообразным электромагнитом, через обмотку которого пропускался ток от 1 до 4,5 А. 
Через отверстие N сосуд откачивался до давления порядка 10^-2 мм рт. ст. Опыты Томсона дали среднее значениеэлектроны не достигнут пластины В, и ток в цепи прекратится. Измерив расстояние между А и В,при котором магнитное поле начнет уменьшать ток, зная Е и В, можно определить удельный заряд фотоэлектрона. 
Схема установки Томсона показана на рисунке 14. Здесь АВ — тщательно отшлифованная цинковая пластинка диаметром около 1 см, CD— решетка с квадратными ячейками площадью 1 мм² из тонкой проволоки, припаянная к проволочному кольцу, EF— кварцевая пластинка, толщиной 4 мм, L — стержень, проходящий через восковую пробку; к проводникам К иМ подключалась батарея аккумуляторов и квадрантный электрометр. 
Магнитное поле создавалось дугообразным электромагнитом, через обмотку которого пропускался ток от 1 до 4,5 А. 
Через отверстие N сосуд откачивался до давления порядка 10^-2 мм рт. ст. Опыты Томсона дали среднее значение. 
Заряд электронов измерялся тем же методом, который был описан выше. Томсон получил для фотоэлектронов среднее значение  ед. заряда СГСЕ (для газовых ионов было  ед. заряда СГСЕ (для газовых ионов было ед. заряда СГСЕ). 
В 1902 г. немецкий физик Филипп Ленард использовал методику определения удельного заряда электрона с целью изучения энергии фотоэлектронов. Схема установки Ленарда изображена на рисунке 15. 
Стеклянная трубка с электродами откачивалась до высокого вакуума через патрубок L. Алюминиевая пластинка А, которая освещалась через кварцевое окошко К ультрафиолетовым светом, служила источником фотоэлектронов. Диафрагма D выделяла узкий пучок электронов, падающий на электрод С.Между пластинкой А и диафрагмой D создавалось электрическое поле напряжением от 300 до 1000 В. Это поле разгоняло фотоэлектроны, вырванные из пластинки А. За диафрагмой фотоэлектроны попадали в магнитное поле, индукция которого Вперпендикулярна к плоскости чертежа. Магнитное поле заставляло электроны двигаться по окружности, и они при известном значении магнитной индукции В попадали на диск F, соединенный с электрометром. Максимальное отклонение электрометра Э означало, что почти все фотоэлектроны попадали на диск F. По положению диафрагмы и диска можно было определить радиус окружности r, описываемой электронами при В = В_maх. По измеренным значениям В и rможно было определить отношение . С другой стороны, зная ускоряющее напряжение U, можно было написать по закону сохранения: . С другой стороны, зная ускоряющее напряжение U, можно было написать по закону сохранения: , так как начальные скорости фотоэлектронов пренебрежимо малы, отсюда вычислялись величины е/т и ?. 
Зная массу и скорость, легко вычислить кинетическую энергию фотоэлектронов. 
Исследования зависимости энергии фотоэлектронов от интенсивности и частоты падающего света привели к поразительному открытию. Оказалось, что энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света. При этом безразлично, меняется ли интенсивность благодаря изменению расстояния от источника или ее уменьшают поглощающие экраны. 
Еще до опытов Ленарда был известен другой факт, необъяснимый с точки зрения привычных представлений: для каждого вещества существуют критические частоты излучения, ниже которых фотоэффект не возникает (красная граница фотоэффекта). 
Единственно возможным объяснением механизма фотоэффекта, с точки зрения классических представлений о взаимодействии излучения с электронами, является резонанс: электрон вырывается из металла при совпадении частоты падающего излучения с частотой его собственных колебаний. Но если это так, то эмиссия фотоэлектронов должна была бы наблюдаться на отдельных частотах или в узких обособленных диапазонах, а не во всем спектре частот. Резонансный механизм не может, очевидно, объяснить зависимость энергии фотоэлектрона от частоты падающего излучения. 
Объяснение законов фотоэффекта дал в 1905 г. Альберт Эйнштейн, исходя из принципиально нового представления о физических свойствах света. Эйнштейн возродил идею Ньютона о том, что свет обладает двойственностью свойств: в одних явлениях он ведет себя как волновой процесс, в других — как поток корпускул. При этом он использовал квантовую гипотезу Планка. Суть идеи Эйнштейна сводилась к следующему. 
Если предположить, что луч света представляет собой поток своеобразных частиц, каждая из которых несет квант энергии hv, и при столкновении с атомом частица света может полностью передать свою энергию электрону, то согласно закону сохранения энергии

где A_вых — работа выхода электрона из облучаемого вещества. Написанное уравнение сразу же объясняло результат опытов Ленарда с фотоэлектронами. 
Идея Эйнштейна была революционной. Физики уже свыклись с представлением о свете, как волновом процессе в эфире. Световые кванты никак не вписывались в эту картину непрерывных процессов. Ясно, что новое воззрение могло войти в физику только после обстоятельного экспериментального обоснования. Это было сделано Робертом Милликеном. 
Милликен был одним из немногих физиков, быстро настроившихся на идею дискретности. Естественно, что гипотеза Эйнштейна была воспринята им с исчерпывающей глубиной, и он осветил все стороны проблемы ее «экспериментального доказательства. Указав на предсказание Эйнштейна, что кинетическая энергия фотоэлектронов определяется уравнением

Милликен писал: «Когда было сделано это предсказание, оно было таким же смелым, как и гипотеза, на которой оно основывалось. Действительно, в то время вообще не было никаких экспериментальных данных, которые указывали бы на характер зависимости разности потенциалов U_от частоты ?, или на то, является ли гипотетическая величина в уравнении (1) чем-нибудь большим, чем числом, совпадающим по величине с постоянной Планка h. Тем не менее, по-видимому, последующие результаты экспериментов показали, что по крайней мере пять из поддающихся экспериментальной проверке положений, фактически содержащихся в уравнении (1), выполняются весьма точно. Эти положения можно сформулировать в виде следующих утверждений:

1. Для каждой возбуждающей частоты ?, превышающей не которую определенную критическую величину, существует под дающаяся точному измерению максимальная скорость имитируемых частиц.
2. Между U и ? существует линейная зависимость. 
3. Значение (или наклон прямой (или наклон прямой ) численно равно отношению .

4. Для критической частоты ?₀, при которой U= 0, работа , т.е. точка пересечения прямой , т.е. точка пересечения прямой  с осью ?, определяет самую .низкую частоту, при которой исследуемый металл еще может испускать фотоэлектроны. 
5.  Контактная разность потенциалов между любыми двумя проводниками описывается уравнением .

Ни один из этих пунктов не был проверен даже приближенно к тому моменту, когда Эйнштейн выдвинул свою гипотезу, корректность которой еще недавно категорически отрицалась Рамзауером. Что касается пункта 4, то еще в 1891 г. Эльстер и Гейтель при изучении щелочных металлов действительно пришли к выводу, что, чем выше электроположительность металла, тем ниже частота v, при которой он становится фоточувствительным. Однако в течение долгого времени казалось, что этому утверждению противоречат результаты более поздних исследований на нещелочных металлах. В течение десяти лет, с тех пор как Эйнштейн предложил свое уравнение, пятое из перечисленных утверждений никогда не проверялось совсем, а третье и четвертое никогда не подвергались тщательной экспериментальной проверке в таких условиях, которые позволили бы дать точный и определенный ответ: впрочем такая проверка и не могла быть произведена без одновременных измерений в вакууме контактной разности потенциалов и фотопотенциалов, если исследуемые металлы были чувствительны ко всему широкому спектру доступных наблюдению частот». Ситуация, очерченная Милликеном, действительно, сложная. Речь шла об эксперименте крупного калибра, требовавшем длительных усилий. Опыты завершились лишь в 1916 г. Достаточно беглого взгляда на схему одной из трубок, использованных Милликеном при изучении фотоэффекта (рис. 16), чтобы оценить сложность экспериментальной техники. Это, по выражению Милликена, «мастерская в вакууме». Методические замечания. Явление фотоэффекта, кажущееся сейчас простым и наглядным, как видно, имеет сложную и в высшей степени поучительную историю. При использовании этого исторического экскурса может быть несколько акцентов. Самый важный — квантовый. Объяснение законов фотоэффекта с помощью гипотезы Планка было первым и самым убедительным доказательством плодотворности квантовой теории. Если использовать экскурс с целью укрепить квантовые представления, то основное внимание следует уделить рассмотрению идеи Эйнштейна и ее экспериментального подтверждения Милликеном. Этот экскурс может иметь мировоззренческий акцент. Тогда внимание должно быть обращено на механизм открытия. В этом случае нужно детальнее рассмотреть опыты Столетова и Ленарда. Наконец, возможен утилитарный подход, когда внимание сосредоточивается на вопросе о преобразовании энергии электромагнитного излучения в энергию фотоэлектронов, тогда детальнее рассматривается постановка опытов Столетова, Ленарда и Милликена. Следует отметить, что опыты Столетова можно повторить с помощью стандартного школьного оборудования. Это хорошая тема для школьного физического кружка.

Основы специальной теории относительности (с. т. о.) могут, естественно, изучаться лишь в ознакомительном плане. Исторический экскурс здесь играет первостепенную роль. Он дает возможность учащимся понять главное — необходимость такой теории. Учителю придется столкнуться с рядом методических трудностей при разъяснении в высшей степени абстрактных представлений. Не следует ожидать, что все будет усвоено. Важно вызвать интерес.
История с. т. о. изобилует сложными моментами. Чтобы идти прямым путем к цели, целесообразно вести рассказ в следующем плане. С.т.о. кристаллизовалась из попыток построить физическую теорию, которая давала бы возможность объяснить ряд оптических и электромагнитных явлений, вызванных относительным движением тел и дать возможность расчетов таких явлений.
Начало было положено в 1728 г., когда английский астроном Джемс Брадлей установил, что наблюдаемая с Земли звезда ?-Дракона описывает в течение года эллипс с большой полуосью приблизительно в 20″. Брадлей предположил, что наблюдаемое движение обусловлено относительным движением Земли и звезды.
«Я догадался,— писал Брадлей,— что все упомянутые явления происходят от постепенного распространения света и голичного движения Земли по своей орбите. Ибо я видел, что если свет распространяется во времени, то кажущееся положение неподвижного предмета, когда глаз находится в покое, будет иное, чем когда он движется в направлении, уклоняющемся от линии, соединяющей предмет с глазом, и что когда глаз движется в различных направлениях, то и кажущиеся положения объекта будут различны».
Так началось изучение явления аберрации света, приведшее физику к первой проблеме оптики движущихся тел. Попытки решения этой проблемы породили длинную цепь исследований.
Явление аберрации непринужденно истолковывалось с корпускулярной точки зрения. Однако ситуация резко изменилась в начале XIX в., когда Т. Юнг начал плодотворное развитие волновой оптики. Естественно, возникла задача объяснить явление аберрации света с точки зрения волновой теории. Согласно теории Гюйгенса, свет — волновой процесс в эфире. Но тогда для объяснения аберрации нужно было решить принципиально новый вопрос: каково взаимоотношение эфира с движущимися в нем телами. Юнг дал первое объяснение, за ним пошла длинная цепь гипотез о свойствах эфира, его взаимоотношении с веществом. Прошло 150 лет.
В 1879 г. Максвеллу пришлось констатировать: «Теория движения эфира едва ли достаточно развита, чтобы позволить нам составить строго математическую теорию аберрации света, принимая в соображение движение эфира».
Явление аберрации открывало соблазнительную возможность «почувствовать» эфир с помощью оптического эксперимента. При корпускулярном объяснении аберрации Брадлеем и волновом объяснении Юнгом рассматривался простейший случай распространения световых корпускул или волн в вакууме. Но луч света, попадая в оптический прибор, проходит через границы раздела сред с разными оптическими свойствами. Араго поставил следующий принципиальный вопрос: как будут влиять преломляющие поверхности на аберрацию света.
Лишь в 1871 г. английский астроном Джордж Эйри (1801 — 1892), рискуя испортить большой гринвичский телескоп, наполнил его водой и повторил опыт Брадлея по наблюдению звезды ?-Дракона.
Измерение угла аберрации проводилось в благоприятный для наблюдений период. Однако опыт дал отрицательный результат: угол аберрации остался брадлеевским! Итак, опыты показали, что преломление света не оказывает никакого влияния на аберрацию.
В 1818 г. Араго написал Френелю письмо с предложением объяснить с волновой точки зрения факт отсутствия влияния движения Земли на преломление лучей звезд. Френель дал такое объяснение, предположив, что «эфир свободно проходит через земной шар и что скорость, сообщенная этой тонкой жидкости, представляет только небольшую часть скорости Земли, не превышая, примерно, одной сотой доли этой скорости».
Итак, океан эфира неподвижен. «Световое движение,— пишет Френель,— является не течением, а колебанием эфира». Но взаимодействие между эфиром и движущимися в нем. телами существует, хотя оно весьма слабо. В этом пункте идея Френеля выражена в весьма неопределенной форме.
В 1842 г. было открыто новое физическое явление, обусловленное относительным движением источника волн и их приемника. Австрийский физик Христиан Допплер (1803 — 1853) показал, что возможен общий подход к звуковым и световым явлениям, как волновым процессам. Он исходил из следующей идеи. Впечатления, которые получают глаз или ухо, не зависят от внутренних напряжений и периода звуковых и световых волн, а определяются интервалом времени, в течение которого они воздействуют на органы наблюдения. Отсюда следует, что цвет луча и высота тона, определяемые соответствующими частотами колебаний, должны изменяться при относительном движении источника волн и наблюдателя.
Допплер дал расчет изменения частоты колебаний, принимаемых акустическим или оптическим прибором при.его приближении или удалении от соответствующего источника или при одновременном сближении или удалении излучателя волн и приемника. Опыты со звуковыми волнами подтвердили теорию Допплера.
Но самым важным было применение теории к световым волнам. Допплер утверждал, что его теория дополняет учение об аберрации, открывая возможность определения не только направлений световых лучей, идущих от звезд, но и их длин волн. Он выражал уверенность в том, что в недалеком будущем астрономы воспользуются его результатами для определения движения и расстояний до далеких светил, имеющих малый параллактический угол.
Особенный успех имело открытие Допплера у астрономов. В 1847 г. появилось два мемуара итальянского ученого П. Сестини, посвященного анализу цветов звезд в связи с эффектом Допплера. Открытие спектрального анализа еще более возвысило «астрономическую ценность» нового принципа.
В 1868 г. Хэггинс с помощью спектроскопа большой разрешающей способности нашел согласное с принципом Допплера смещение D-линии в спектре Сириуса и аналогичное смещение в линиях D, принадлежащих спектру туманности в созвездии Ориона. Еще более впечатляющим было наблюдение Хэггинса 1871 г., обнаружившее различие в спектре краев Солнца, вызванное его вращением.
Тем не менее применимость принципа Допплера к оптическим явлениям продолжала вызывать сомнения. Устранить их мог только прямой оптический эксперимент в лабораторных условиях. Это была сложная проблема. Необходимо было достигнуть больших скоростей источника света или его изображения и иметь спектральную аппаратуру высокой разрешающей способности.
Проблема была убедительно решена замечательными опытами русского астрофизика А.А. Белопольского в самом конце XIX в.
Успехи применения принципа Допплера к астрофизике обострили интерес к физической теории, описывающей явления в движущихся телах. В 1865 г. Максвелл развил теорию электромагнитного поля. Световые волны рассматривались как электромагнитные волны в эфире. Однако в рамках этой теории невозможно было поставить проблемы, относящиеся к физическим явлениям в движущихся телах. Поэтому надежды связывались в первую очередь с экспериментальными исследованиями. Они велись и в оптике, и в электродинамике.
Среди множества экспериментов, связанных с теорией физических явлений в движущихся телах, особое значение приобрел опыт Майкельсона, описанный в учебнике. Отрицательный результат многочисленных попыток обнаружить движение Земли относительно Солнца с помощью тончайшего оптического эксперимента, придуманного Майкельсоном, послужил самым убедительным основанием для формулировки специального принципа относительности.
Первую теорию физических явлений в движущихся телах дал великий голландский физик Гендрик Антон Лоренц.

Лоренц родился в 1853 г. в голландском городе Арнеме. Родители его занимались садоводством и. земледелием. Хотя они не были людьми образованными, но тянулись к книгам и культуре. Шести лет мальчик был отдан в частную школу Тиммера — выдающегося педагога, автора учебников и научно-популярных книг по физике. Уже здесь Лоренц обнаруживает выдающиеся способности.
В 1866 г. юноша поступает в только что созданную Высшую гражданскую школу. Здесь Лоренцу снова повезло. Учителем физики в школе был Ван-дер-Стадт, блестящий лектор, автор учебников, переиздававшихся в Голландии более полувека. Уроки часто проводились на лоне природы, учащиеся вели дискуссии на разнообразные научные темы. Лоренц увлекается историей, литературой, философией, языками, однако предпочтение отдает физике и математике.
В 1870 г. Лоренца принимает Лейденский университет. О его необыкновенных способностях здесь было уже известно, и это обеспечило юноше свободу в выборе пути научного поиска.
Решающим событием, определившим магистральный путь ученого, бы ло знакомство с работами Максвелла. Преподаватели не могли ему помочь в овладении теорией Максвелла. Достаточно сказать, что в библиотеке Ло ренцу самому приходилось вскрывать пакеты с работами, которые никто не читал.            
В 1872 г., проучившись немногим более года, Лоренц блестяще сдал экзамен на степень магистра и вернулся в Арнем. Он выбирает лучший способ обучения — учит сам. Правда, учителю нет еще и 20 лет, мешает врожденная стеснительность, однако учащиеся покоряются сильному интеллекту У Лоренца остается много времени для творческой работы: он продолжает изучать Максвелла, экспериментирует в школьной и собственной домашней лаборатории, ищет свой путь в физике. Как раз в это время выходит «Трактат» Максвелла.
Лоренц — один из немногих — понимает содержание’ «библии электричества». Более того, он видит слабые стороны новой теории и намечает пути ее развития. Свою программу он формулирует в докторской диссертации которую защищает в конце 1875 г. Хотя оппоненты вряд ли понимали содержание новых идей, молодой диссертант был удостоен высшей похвалы — magna cum laude.
Лоренц, наверно, сознавал, что создал новое и значительное, однако скромность его была столь велика, что он даже ‘не посылал своих работ в центральные научные журналы. Только через два года сокращенный перевод его диссертации появляется в немецком журнале.
После защиты молодой доктор удаляется в родной Арнем, продолжает учительствовать и ведет интенсивную творческую работу.
В 1878 г. Лейденский университет один из первых в Европе учредил кафедру теоретической физики и предложил Лоренцу возглавить ее. Имя 25-летнего профессора становится широко, известным после публикации работ, содержавших идеи новой электродинамики, особенно его основополагающей работы «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах», вышедшей в 1896 г.
В 1897 г; Лоренц впервые принял участие в Международном конгрессе немецких естествоиспытателей и врачей. Известность Лоренца непрерывно росла и достигла своего апогея после объяснения эффекта Зеемана и создания эйнштейновской теории относительности. Он становится, не только непременным участником международных форумов выдающихся физиков, но и возглавляет их. Он свободно изъяснялся на нескольких языках, был блестящим педагогом и обладал редким дипломатическим талантом и объективностью.
В 1914 г. Лоренц оставил профессуру в Лейденском университете и развернул кипучую популяризаторскую и общественную деятельность. Он занимается реформой образования, созданием методики обучения, вопросами международного научного сотрудничества, председательствует в комитете по осушению залива Зюдер-Зео.
Лоренц глубоко интересовался физикой в России, был связан с выдающимися, русскими учеными. Об этом свидетельствует замечательный документ, одновременно раскрывающий Лоренца и как человека. После трагической кончины Петра Николаевича Лебедева Лоренц написал вдове ученого следующее:
Милостивая государыня!
Позвольте выразить Вам мое сердечное и искреннее соболезнование в тяжелой утрате, которую Вы понесли. G глубоким огорчением принял я известие об этом, так как кончина Вашего супруга означает невозместимую потерю для науки. Я считал его одним из первых и лучших физиков нашего времени и восхищался тем, как он в последний год при самых неблагоприятных условиях сумел поддержать в целости основанную им московскую школу и нашел возможности продолжить общую работу. Теперь я узнаю, что он делал все это с уже расстроенным здоровьем, принося свои последние силы в жертву поставленной перед собой прекрасной цели. Пусть дух его живет в его учениках и сотрудниках по работе, и пусть посеянные им семена принесут богатый плод!
Что касается меня, то я вечно буду помнить и чтить этого благородного человека И талантливого исследователя.
Теперь я очень сожалею, что не ответил на его письмо, которое получено мною несколько месяцев тому назад. Я хотел выждать до тех пор, пока получил бы возможность- высказаться более определенно по вопросу, о котором шла речь в этом письме. Если бы я знал о его болезни и если бы мог предполагать, что он так скоро нас покинет, я бы не преминул тот-час же выразить свое сочувствие к его намерениям и свое восхищение перед его выдержкой.

С совершенным уважением остаюсь преданный Вам
Г. А. Лоренц.

После Великой Октябрьской революции Лоренц внимательно следил за становлением советской физики и помогал нашим молодым ученым.
Умер Лоренц 4 февраля 1928 г. в Гарлеме.
Интересен отрывок из воспоминаний Эйнштейна, ярко рисующий облик Лоренца:
«Он легко и со спокойной уверенностью владел собой так же, как владел физикой и математическим аппаратом. Необычайное отсутствие у него человеческих слабостей не действовало унижающе на близких. Каждый чувствовал его превосходство, но оно никого не подавляло, потому что он всегда проявлял доброжелательность ко всем, хотя хорошо знал людей и человеческие отношения. Он был исключительно добросовестным, но не придавал какому-либо делу преувеличенного значения. От этого Лоренца предохранял тонкий юмор, который отражался и в его улыбке. Этому соответствовало и то, что, несмотря на всю преданность научному познанию, его все-таки пронизывало сознание невозможности до конца проникнуть в сущность вещей. Только в более зрелые годы я смог полностью оценить эту полускептическую, полупокорную точку зрения».

В основополагающем труде Лоренца «Опыт теории электрических и оптических явлений в движущихся телах» самым важным результатом были знаменитые преобразования координат и времени, легшие в основу теории относительности Эйнштейна. Но Лоренц не дал им правильного истолкования. Он сохранил ньютоновское представление об абсолютном пространстве и абсолютном времени. Время t` в движущейся системе отсчета он правильно связал с временем t в неподвижной системе, написав . Однако он назвал его «местным временем», в противовес «всеобщему времени».
Естественно, что Лоренцу, не удалось построить последовательную теорию явлений в движущихся телах. Это сделал Эйнштейн.
После появления «Опыта» Г.А. Лоренца в физике произошли события, временно заслонившие проблемы электродинамики движущихся тел: открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона, динамики заряженных частиц, рождение квантовых представлений — это все в течение каких-нибудь пяти лет.
В то же время это был период пересмотра устоявшихся физических представлений. Именно в эти годы скромный служащий бюро патентов в небольшом швейцарском городе Берне Альберт Эйнштейн (1879 — 1955) резко меняет русло вековой дискуссии и формулирует новую программу.
Эйнштейн родился в Ульме на Дунае в 1879 г. В детстве он ничем не отличался от своих сверстников. Окончил кантонанальную школу в Аарау (Швейцария), в 1896 г. поступил, а в 1900 г. окончил Цюрихский политехникум, где слушал лекции Г. Минковского.
Получив права преподавателя физики и химии, он некоторое время был безработным, занимался репетиторством. Тогда же он опубликовал свою первую работу о капиллярных явлениях.
В 1902 г. Эйнштейн устраивается в патентное бюро в Берне, Работа заключалась в том, чтобы уловить суть изобретения и затем написать краткий реферат так, чтобы начальство смогло решить, заслуживает ли оно выдачи патента.
Здесь с 1902 по 1909 г. развертывается уникальная по плодотворности деятельность гения. За семь лет — коренное преобразование физического мышления. В эти годы Эйнштейн заложил основы современной физики.
Финал развития макроскопической электродинамики и одновременно старт теории относительности — в работе Эйнштейна 1905 г. «К электродинамике движущихся тел». Это было началом развития теории относительности, которая привела к революционным преобразованиям в физике.
Эйнштейн строит теорию на базе двух принципов. Первый — принцип относительности. О нем уже говорилось. Второй — принцип постоянства скорости света.
В основополагающей работе Эйнштейна он сформулирован так: свет в пустоте всегда распространяется с постоянной скоростью с, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Опираясь на эти два принципа, Эйнштейн дает физическое истолкование преобразованиям Лоренца. Поэтому последние справедливо называть преобразованиями Лоренца — Эйнштейна.
Хотя Эйнштейну удалось объяснить явления в движущихся телах, его теория долгое время встречала противодействие. Почти сорок лет понадобилось для того, чтобы она появилась на страницах учебников.
Многолетние споры шли по поводу истолкования смысла знаменитой формулы Эйнштейна Е = тс², которую он дал в работе 1909 г.

Методическое замечание. Рассказывая об истории с. т. о., необходимо напомнить принцип относительности Галилея и подчеркнуть, что специальный принцип относительности Эйнштейна представляет собой лишь обобщение принципа, сформулированного впервые Галилеем. Чтобы сделать это очевидным для учащихся, целесообразно провести следующее сравнение. «Корабль Галилея» и Земля, движущаяся относительно Солнца — инерциальные системы отсчета. Каюта внутри корабля и комната внутри любого дома на Земле — равноправные системы отсчета. Следует только указать, что, хотя движение Земли вокруг Солнца вращательное, из-за большой протяженности траектории это движение можно считать равномерным и прямолинейным.
Интерес учащихся может возбудить вопрос, касающийся второго постулата теории относительности, утверждающего, что скорость света постоянна во всех системах отсчета. Его необходимо дополнить утверждением, что скорость света является предельной скоростью движений. Сам Эйнштейн обосновал это утверждение следующим образом. Из закона взаимосвязи массы в энергии

                                      (1)

следует, что при приближении ? к с знаменатель в формуле (1) стремится к нулю, следовательно энергия тела стремится к бесконечности. Но для получения бесконечной энергии необходимо затратить бесконечную работу, что невозможно.
Галилей говорил о механических опытах. С их помощью невозможно определить, движется ли корабль прямолинейно и равномерно или находится в покое. А нельзя ли поставить опыт, с помощью которого можно обнаружить движение в космосе относительно Солнца? При этом надо напомнить, что движение Земли вокруг собственной оси можно обнаружить в комнате по наблюдению колебаний маятника, остановиться на опыте Фуко.
Далее следует рассказать о многолетних усилиях экспериментаторов решить поставленную проблему и отрицательных результатах множества опытов.
Необходимо подчеркнуть своеобразие ситуации. Обычно опыт ставится для подтверждения теории. Здесь же, наоборот, теория относительности подтверждается отрицательными результатами ряда опытов, в первую очередь опытом Майкельсона (последний в шутку называют величайшим из отрицательных экспериментов).

Методическое замечание. Об электроне уже известно учащимся из курса химии и соответствующего раздела программы VII класса. Теперь нужно углубить представление о первой элементарной частице вещества, напомнить изученное, связать с первой темой раздела «Электростатика» и перейти к более высокому уровню трактовки элементарного заряда. Следует иметь в виду сложность понятия электрического заряда. Предлагаемый экскурс может помочь раскрытию этого понятия и проникнуть в суть дела, Электрон имеет сложную историю. Чтобы прийти к цели кратчайшим путем, целесообразно вести рассказ следующим образом.
Открытие электрона явилось результатом многочисленных экспериментов. К началу XX в. существование электрона было установлено в целом ряде независимых экспериментов. Но, несмотря на колоссальный экспериментальный материал, накопленный целыми национальными школами, электрон оставался гипотетической частицей, ибо опыт еще не ответил на ряд фундаментальных вопросов.
Прежде всего не было ни одного опыта, в котором участвовали бы отдельные электроны. Элементарный заряд вычислялся на основании измерений микроскопического заряда в предположении справедливости ряда гипотез.
Неопределенность была в принципиально важном пункте. Сначала электрон появился как результат атомистического истолкования законов электролиза, затем он был обнаружен в газовом разряде. Было не ясно, имеет ли физика в действительности дело с одним и тем же объектом. Большая группа скептически настроенных естествоиспытателей считала, что элементарный заряд представляет собой статистическое среднее зарядов самой разнообразной величины. Тем более что ни один из опытов по измерению заряда электрона не давал строго повторяющихся значений.
Были скептики, которые вообще игнорировали открытие электрона. Академик А.Ф. Иоффе в воспоминаниях о своем учителе В.К. Рентгене писал: «До 1906 — 1907 гг. слово электрон не должно было произноситься в физическом институте Мюнхенского университета. Рентген считал его недоказанной гипотезой, применяемой часто без достаточных оснований и без нужды».
Не был решен вопрос о массе электрона, не доказано, что и на проводниках, и на диэлектриках заряды состоят из электронов. Понятие «электрон» не имело однозначного толкования, ибо эксперимент не раскрыл еще структуры атома (планетарная модель Резерфорда появится в 1911 г., а теория Бора — в 1913 г.).
Электрон не вошел еще и в теоретические построения. В электронной теории Лоренца фигурировала непрерывно распределенная плотность заряда. В теории металлической проводимости, развитой Друде, речь шла о дискретных зарядах, но это были произвольные заряды, на значение которых не накладывалось никаких ограничений.
Электрон еще не вышел из рамок «чистой» науки. Напомним, что первая электронная лампа появилась только в 1907 г.
Для перехода от веры к убеждению необходимо было прежде всего изолировать электрон, изобрести метод непосредственного и точного измерения элементарного заряда.
Такая задача была решена американским физиком Робертом Милликеном (1868 — 1953) в серии тонких экспериментов, которые были начаты в 1906 г.

Роберт Милликен родился в 1868 г. в штате Иллинойс в бедной семье священника. Детство его прошло в провинциальном городке Маквокета, где много внимания уделяли спорту и плохо учили. Директор средней школы, преподававший физику, говорил, к примеру, своим юным слушателям: «Как это можно из волн сделать звук? Ерунда, мальчики, все это ерунда!»
В Обердинском колледже было не лучше, но Милликену, не имевшему материальной поддержки, пришлось самому преподавать физику в средней школе. В Америке тогда было всего два учебника по физике, переведенные с французского, и талантливому юноше не представило трудностей изучить их и с успехом вести занятия. В 1893 г. он поступает в Колумбийский университет, затем едет учиться в Германию.
Милликену было 28 лет, когда он получил предложение от А. Майкельсона занять место ассистента в Чикагском университете. В начале он занимался здесь почти исключительно педагогической работой и только в сорок лет начал научные исследования, принесшие ему мировую славу.

Первые опыты сводились к следующему. Между пластинками плоского конденсатора, на которые подавалось напряжение в 4000 В, создавалось облако, состоявшее из капелек воды, осевших на ионах. Сначала наблюдалось падение вершины облака в отсутствие электрического поля. Затем создавалось облако при включенном напряжении. Падение облака происходило под действием силы тяготения и электрической силы.
Отношение силы, действующей на каплю в облаке, к скорости, которую она приобретает, одинаково в первом и во втором случае. В первом случае сила равна mg, во втором mg qE, где q — заряд капли, Е — напряженность электрического поля. Если скорость в первом случае равна ?₁ во втором ?₂, то

Зная зависимость скорости падения облака ? от вязкости воздуха, можно вычислить искомый заряд q. Однако этот метод не давал желаемой точности, потому что содержал гипотетические допущения, не поддающиеся контролю экспериментатора.
Чтобы увеличить точность измерений, необходимо было прежде всего найти способ учета испарения облака, которое неизбежно происходило в процессе измерения.
Размышляя над этой проблемой, Милликен и пришел к классическому методу капель, открывшему целый ряд неожиданных возможностей. Историю изобретения предоставим рассказать самому автору:
«Сознавая, что быстрота испарения капель оставалась неизвестной, я попытался придумать способ, который вполне исключил бы эту неопределенную величину. Мой план состоял в следующем. В предыдущих опытах электрическое поле могло только немного увеличить или уменьшить скорость падения верхушки облака под действием силы тяжести. Теперь же я хотел это поле усилить настолько, чтобы верхняя поверхность облака оставалась на постоянной высоте. В этом случае явилась возможность с точностью определить скорость испарения облака и принять ее в расчет при вычислениях».
Для реализации этой идеи Милликен сконструировал небольшую по габаритам аккумуляторную батарею, дававшую напряжение до 10⁴ В (для того времени это было выдающимся достижением экспериментатора). Она должна была создавать поле, достаточно сильное, чтобы облако удерживалось, как «гроб Магомета», в подвешенном состоянии.
«Когда у меня все было готово,— рассказывает Милликен, и когда образовалось облако, я повернул выключатель, и облако оказалось в электрическом поле. И в это мгновение оно на моих глазах растаяло, другими словами, от целого облака не осталось и маленького кусочка, который можно было бы наблюдать при помощи контрольного оптического прибора, как это делал Вильсон и собирался делать я. Как мне сначала показалось, бесследное исчезновение облака в электрическом поле между верхней и нижней пластинками означало, что эксперимент закончился безрезультатно…»
Однако, как это нередко бывало в истории науки, неудача породила новую идею. Она и привела к знаменитому методу капель. «Повторные опыты,— пишет Милликен,— показали, что после рассеивания облака в мощном электрическом поле на его месте можно было различить несколько отдельных водяных капель» (подчеркнуто мною.— В. Д.).
«Неудачный» опыт привел к открытию возможности удерживать в равновесии и наблюдать отдельные капельки в течение достаточно длительного времени.
Но за время наблюдения масса капли воды существенно изменилась в результате испарения, и Милликен после многодневных поисков перешел к экспериментам с каплями масла.
Процедура эксперимента оказалась простой. Адиабатическим расширением между пластинами конденсатора образуется облако. Оно состоит из капелек, имеющих различные по модулю и знаку заряды. При включении электрического поля капли, имеющие заряды, одноименные с зарядом верхней пластины конденсатора, быстро падают, а капли с противоположным зарядом притягиваются верхней пластиной. Но некоторое число капель имеет такой заряд, что сила тяжести уравновешивается электрической силой.
Через 7 или 8 мин. облако рассеивается, и в поле зрения остается небольшое число капель, заряд которых соответствует указанному равновесию сил.
Милликен наблюдал эти капли в виде отчетливых ярких точек. «История этих капель протекает обыкновенно так,— пишет он.— В случае небольшого преобладания силы тяжести над силой поля они начинают медленно падать, но, так как они постепенно испаряются, то их нисходящее движение вскоре прекращается, и они на довольно долгое время становятся неподвижными. Затем поле начинает преобладать, и капли начинают медленно подниматься. Под конец их жизни в пространстве между пластинами это восходящее движение становится весьма сильно ускоренным, и они притягиваются с

большой скоростью к верхней пластине».
Схема установки Милликена, с помощью которой в 1909 г. были получены решающие результаты, изображена на рисунке 17.
В камере С был помещен плоский конденсатор из круглых латунных пластин М и N диаметром 22 см (расстояние между ними было 1,6 см). В центре верхней пластины было сделано маленькое отверстие р, сквозь которое проходили капли масла. Последние образовывались при вдувании струи масла с помощью распылителя. Воздух при этом предварительно очищался от пыли путем пропускания через трубу со стеклянной ватой. Капли масла имели диаметр порядка 10^-4 см.
От аккумуляторной батареи В на пластины конденсатора подавалось напряжение 10⁴ В. С помощью переключателя можно было закорачивать пластины и этим разрушат электрическое поле.
Капли масла, попадавшие между пластинами М и N, освещались сильным источником. Перпендикулярно направлению лучей через зрительную трубу наблюдалось поведение капель.
Ионы, необходимые для конденсации капель, создавались излучением кусочка радия массой 200 мг, расположенного на расстоянии от 3 до 10 см сбоку от пластин.
С помощью специального устройства опусканием поршня производилось расширение газа. Через 1 – 2 с после расширения радий удалялся или заслонялся свинцовым экраном. Затем включалось электрическое поле и начиналось наблюдение капель в.зрительную трубу.
Труба имела шкалу, по которой можно было отсчитывать путь, пройденный каплей за определенный промежуток времени. Время фиксировалось по точным часам с арретиром.
В процессе наблюдений Милликен обнаружил явление, послужившее ключом ко всей серии последующих точных измерений отдельных элементарных зарядов.
«Работая над взвешенными каплями,— пишет Милликен,— я несколько раз забывал закрывать их от лучей радия. Тогда мне случалось замечать, что время от времени одна из капель внезапно изменяла свой заряд и начинала двигаться вдоль поля или против него, очевидно, захватив в первом случае положительный, а во втором случае отрицательный ион. Это открывало возможность измерять с достоверностью не только заряды отдельных капель, как это я делал до тех пор, но и заряд отдельного атмосферного иона.
В самом деле, измеряя скорость одной .и той же капли два раза, один раз до, а второй раз после захвата иона, я, очевидно, мог совершенно исключить свойства капли и свойства среды и оперировать с величиной, пропорциональной только заряду захваченного иона».
Элементарный заряд вычислялся Милликеном на основании следующих соображений. Скорость движения капли пропорциональна действующей на нее силе и не зависит от заряда капли.
Если капля падала между пластинами конденсатора под действием только силы тяжести со скоростью ?, то

При включении поля, направленного против силы тяжести, действующей силой будет разность qE – mg, где q —заряд капли, Е — модуль напряженности поля.
Скорость капли будет равна:

Если разделить равенство (1) на (2), получим .
Отсюда

                             (3).

Пусть капля захватила ион и заряд ее стал равен q‘, а скорость движения ?₂. Заряд этого захваченного иона обозначим через e. Тогда e= q‘— q.
Используя (3), получим

.                          (4)

Вводная беседа.
Изучение заключительного раздела школьного курса физики должно являться не только самоцелью, но и средством закрепления, углубления, уточнения основных физических представлений. Здесь материал истории физики играет особенно важную роль.
Во вводной беседе нужно повторить путь, приведший физику к проблеме структуры атома и атомного ядра. На основных вехах этого пути можно укрепить знание ряда важных представлений. Кратчайшим путем ведет к цели следующая цепь фактов.
Первая мысль об атомах родилась в Древней Греции. До 20-х годов XIX в. атом — кусочек вещества, маленький шарик. Для объяснения механизма передачи тепла Ломоносов снабжает этот шарик выступами, зазубринками: атомы подобны колесикам в зубчатых передачах. Затем этот шарик представляется заряженным положительным и отрицательным электричеством. Рождается гипотеза о том, что с каждым весомым атомом связан атом электрический. Эта гипотеза была конкретизирована замечательным английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856 — 1940). Работы Дж. Дж. Томсона и созданной им школы составили важнейшую веху в развитии физики. Чрезвычайно интересна личность ученого. Рассказ о жизни и деятельности Томсона может иметь воспитательное значение.

Вначале он занимается преимущественно теоретической работой. Он осваивает научное наследие, оставленное Максвеллом, и решает посвятить свою деятельность дальнейшему развитию учения об электрических и магнитных явлениях. 
Его первые научные работы получают высокую оценку, и в 1884 г. 28-летний ученый назначается директором Кавендишской лаборатории. С этого времени он постепенно переходит в область тонкого физического эксперимента и начинает создание своей знаменитой школы физиков. 
Его жизнь внешне монотонна: лаборатория, отдых в кругу семьи, работа на приусадебном участке. Но она исполнена глубокого внутреннего напряжения. Он в постоянных размышлениях о природе электромагнитных явлений, о структуре материи, обдумывает замыслы своих многообразных экспериментов и программы работы многочисленных учеников. 
Томсон был великолепным педагогом. Он обладал необыкновенным чутьем по распознаванию талантов Не случайно он собрал вокруг себя уникальную плеяду молодых ученых: пятеро его учеников стали лауреатами Нобелевской премии, 22 человека были избраны действительными членами английской академии наук — Лондонского королевского общества, 50 заведовали кафедрами в университетах. Его учеником был великий Резерфорд. Он вырастил замечательного физика — своего сына Джорджа Паджета Томсона. Вместе с Пойнтингом Томсон написал учебник по физике, самый популярный в конце XIX в. Из-под его пера вышло 13 книг и 231  статья. 
Самым важным результатом работ Томсона было открытие электрона и создание первой электронной модели строения атома.
Путь к открытию был очень сложным. Учащимся можно рассказать об основных вехах этого пути следующим образом.
Постановка проблемы. Вначале была мысль о том, что электричество есть нечто разделенное на элементарные порции. В 1874 г. ирландский физик Георг Стоней предложил эту элементарную порцию назвать электроном. Он же впервые вычислил значение элементарного заряда (0,3^.10^-10 ед. заряда СГСЕ).
Важную  информацию дали исследования  катодных лучей.
Учащимся нужно показать уже знакомые им опыты с катодными лучами и поставить вопрос: как можно узнать, что катодные лучи являются потоками электронов.
Поучительно сразу же рассказать об ошибке Генриха Герца. Пытаясь раскрыть природу, катодного луча, он пропустил его между пластинами плоского конденсатора и… не обнаружил никакого отклонения.
Учащимся надо напомнить, что катодный луч — это тот же электронный луч, что чертит кривые на экране осциллографа. Известно, что, подавая напряжение на пластины конденсатора, можно отклонять поток электронов в нужную сторону. А у великого Герца отклонения не получилось…
Дело в том, что в то время физики еще не понимали значения вакуума и не умели его измерять. У Герца вакуум был недостаточный; поток электронов проходил сквозь гущу молекул. При соударениях электронов с молекулами возникали ионы; слегка разреженный ионизированный воздух превращался из диэлектрика в проводник, и пластины конденсатора замыкались.
На основании этого неудачного опыта Герц сделал ложный вывод, что катодные лучи представляют собой процесс в эфире, аналогичный процессу распространения света.
Однако опыты Дж.Дж. Томсона и других физиков показали, что катодный луч есть поток заряженных частиц. Но что это за частицы?
Первый шаг. Путь к ответу на поставленный вопрос осветили работы Дж.Дж. Томсона, раскрывшие механизм проводимости газов.
В этом пункте имеется хорошая возможность повторить основное об электропроводимости веществ. Нужно вернуться к тому времени, когда физики, не знали природы проводимости веществ. Общая точка зрения существовала только на природу проводимости электролитов: считалось, что она обусловлена движением ионов.
Вопрос о природе газовой проводимости был запутан настолько, что авторитетнейший из физиков конца XIX в. Вильям Томсон считал очевидным, что воздух не может быть наэлектризован положительно или отрицательно.
В 1886 – 1887 гг. шведский ученый С. Аррениус дал теорию электролитической диссоциации, которая до сих пор изучается в школе. Далее он исследовал проводимости газов и на основании опытных фактов пришел к выводу, что «воздух проводит электролитически».
В 1888 г. Аррениус находит подтверждение своей гипотезы в опытах Герца, показавших, что ультрафиолетовый свет облегчает искровой разряд даже при нормальном давлении. Справедливость этой точки зрения подтвердилась дальнейшими исследованиями, связанными с открытием рентгеновского излучения. В 1895 г. Рентген обнаружил способность нового излучения разряжать положительно или отрицательно заряженные тела. Что же является причиной разряда?
Ж. Перрен во Франций, Дж.Дж. Томсон в Англии и А. Риги в Италии почти одновременно различными путями находят ответ на поставленный вопрос: рентгеновские лучи порождают в воздухе ионы. Однако Томсон увидел в этом факте больше, чем другие.
Второй шаг. В этом пункте можно активизировать мышление учащихся постановкой вопроса: как использовать рентгеновское излучение для раскрытия природы катодных лучей? При этом создается хорошая возможность повторения законов электродинамики, взаимодействия электромагнитных излучений с веществом.
Когда Дж.Дж. Томсон получил сообщение об открытии Рентгена, он сразу же исследовал влияние рентгеновского излучения на проводимость газа. Открылся поразительный факт: под действием рентгеновских лучей газ становился хорошим проводником даже при малых напряжениях. Варьируя мощность излучения, можно было регулировать ток через газ.
Проводимость достигала максимального значения не сразу после облучения и не исчезала мгновенно. Эти факты дали основание для установления современной картины механизма электропроводности газов.
Томсон предположил, что положительный или отрицательный ион может получить от электрического поля кинетическую энергию, достаточную для ионизации при соударении. Сила тока через газ пропорциональна числу заряженных частиц, которые достигают электродов в единицу времени. Допустим, что рентгеновское излучение в 1 с порождает N  положительных ионов и N_– отрицательных. Согласно кинетической теории газов число столкновений будет пропорционально произведению N ^.N_–. При столкновениях происходит рекомбинация ионов в нейтральные молекулы. После прекращения облучения электропроводность газа уничтожается электрическим полем. Этот факт автоматически вытекал из представления об ионизации. 
Особенно важную информацию дала вольт-амперная характеристика проводимости газа. При малых напряжениях ток через газ возрастал линейно, как и в cслучае металлов и электролитов. Далее он достигал насыщения. Сила тока насыщения оказалась пропорциональной интенсивности рентгеновского излучения. 
В предположении, что электрический ток через газ является потоком положительных и отрицательных ионов, которые непрерывно образуются под действием рентгеновских лучей и направляются электрической силой к электродам, можно было написать уравнение, связывающее силу тока через газ с напряжением между электродами.
Эти исследования послужили вехой к достижению основной цели: раскрытию структуры вещества.
Третий шаг . В этом параграфе содержится материал для закрепления важнейшего представления о неразрывной связи заряда и массы, о роли удельного заряда.
Основную роль в установлении факта существования электрона сыграло изучение отклонения катодных лучей в электрическом и магнитном полях. Э. Вихерт, В. Кауфман, Ф. Ленард — в Германии, Дж.Дж. Томсон и его ученики, А. Шустер — в Англии, Симон во Франции преследуют одну и ту же цель: найти возможность точного измерения удельного заряда катодных частиц.
Почему это было важно? Из законов Фарадея следовала возможность определения отношения заряда иона к массе соответствующего атома.
Эти результаты Томсон получил при участии Э. Резерфорда, который делал тогда первые шаги в большой физике.
Пусть к электроду за время t подошло N ионов. Тогда они принесут массу

M = Nm,             (1)

где т — масса одного иона. Допустим, что с каждым ионом связано Z элементарных (нескомпенсированных) зарядов e₀. Тогда они вместе с массой М принесут заряд

q=NZ e₀.       (2)

Поделив (1) на (2), получаем 
Измеряя М и q, зная валентность атома Z, можно определить отношение e₀/m.
Величина e₀/m различна для разных ионов, но ее максимальное значение совершенно определенно — оно равно отношению заряда к массе легчайшего из ионов — иона водорода. Отсюда естественно вытекал вопрос: существуют ли в природе частицы с большим значением отношения e₀/m ?
Если принять гипотезу об атомах электричества, то минимальное значение заряда известно. Следовательно, вопрос сводился к следующему: существуют ли в природе частицы с массой, меньшей массы атома водорода? Точное измерение удельного заряда катодных корпускул могло дать ответ на вопрос, волновавший умы выдающихся ученых. Многие искали решение, но Томсон глубже всех проник в проблему, ему и его ученикам принадлежат наиболее точные и убедительные эксперименты.
Четвертый (решающий) этап. Содержание этого параграфа создает богатую возможность для повторения материала, связанного с движением заряженных частиц в электрических и магнитных полях, законов для электрических и магнитных сил. Важно обратить внимание учащихся на значение точных физических намерений, получение количественных результатов, на основании которых гипотеза становится фактом, отражением реальности.
Измерение отклонения катодных лучей — потоков электронов в электрическом и магнитном полях сыграло решающую роль.
Томсон впервые вводит измерение вакуума, и обнаруживает причину отрицательного результата опытов Герца: поскольку вакуум был недостаточно высокий, катодные лучи вызывали интенсивную ионизацию газа; образующиеся заряды разрушали электрическое поле конденсатора.
Отклонение катодного луча в электрическом поле было впервые получено в следующем опыте (рис. 18).

Луч от катода С проходил через щель в аноде А, представляющую металлическую пробку, притертую к трубке и соединенную с землей. После прохождения через вторую щель в другой заземленной металлической пробке Влуч распространялся между двумя параллельными алюминиевыми пластинами D и Е длиной 5 см и шириной 2 см, отстоявшими друг от друга на 1,5 см. Пройдя конденсатор, луч падал на экран, где давал резко очерченный фосфоресцирующий след. По шкале, наклеенной на внешней поверхности экрана, можно было измерять величину отклонения луча.
Ученый наблюдал отклонение катодного луча в электрическом и магнитном полях. Результат был однозначен: направление отклонения соответствует отрицательному знаку заряда частиц.
После этого оставалось самое главное: выяснить, с какими частицами связан этот отрицательный заряд.
«Что это за частицы?— cпрашивает Томсон.— Атомы это или молекулы, или материя в состоянии еще более тонкого дробления?» (подчеркнуто мною.— В. Д.).
Мысль о существовании частиц вещества более мелких, нежели атомы, была в то время смелой гипотезой.
Чтобы ответить на поставленный вопрос, Томсон предпринимает серию измерений величины e₀/m для катодных частиц. Было применено два независимых метода. Идея первого заключалась в следующем.
Рассмотрим пучок однородных катодных лучей. Пусть m — масса каждой частицы, e₀/m — заряд, переносимый ею. Пусть N — число частиц, проходящих через сечение пучка в данное время; тогда заряд q, переносимый этими частицами, будет равен:

q=Ne₀/m .

Как измерить заряд q?
Чтобы ответить на этот вопрос, учащиеся должны вспомнить закон сохранения электрического заряда, измерение заряда с помощью электрометра. Нужно только сказать, что для измерений нужен более чувствительный прибор, нежели знакомый им демонстрационный электрометр.
Как же измерить число частиц N, переносящих заряд q? Это трудный для учащихся вопрос, но поставить его интересно и далее рассказать о решении Томсона — воспользоваться законом сохранения энергии. Здесь снова важный объект повторения!
Если заряженные частицы попадают на твердое тело, то температура последнего будет возрастать: кинетическая энергия движущихся частиц превращается во внутреннюю энергию. Определив возрастание температуры тела с известной теплоемкостью, мы можем измерить кинетическую энергию частиц W. Если ? — скорость частиц, то

В этой формуле кроме подлежащей измерению величины N содержится искомая величина m.
Энергия катодных частиц измерялась следующим образом. Пучок катодных лучей направлялся на отверстие металлического цилиндра, соединенного с электрометром. Внутри цилиндра помещался термостолбик, который нагревался ударами частиц. Теплоемкость цилиндра с его содержимым была измерена предварительно. Таким путем можно было получить величины, нужные для определения удельного заряда.
Итак, мы имеем два соотношения:

                                                   (3)
                                                   (3)
                                           (4)

Поделив (3) на (4), получаем искомую величину:

                                                   (5)

Видно, что для определения удельного заряда неизвестных частиц нужно еще определить их скорость ?.
Как измерить скорость? Снова вопрос, активизирующий мышление учащихся. Ответ на этот вопрос служит повторению важной истины: движение заряженных частиц в полях при скоростях, значительно меньших скорости света, подчиняется законам Ньютона.
Пусть частица движется со скоростью ? в магнитном поле с магнитной индукцией В. На нее действует сила Лоренца . Допустим, что угол ? = 90°. Под действием силы Лоренца частица приобретает центростремительное ускорение . Допустим, что угол ? = 90°. Под действием силы Лоренца частица приобретает центростремительное ускорение , где r — радиус кривизны траектории электрона. Второй закон Ньютона в форме запишется так: запишется так: .
Отсюда искомая скорость:

                                             (6)

Подставляя (6) в (5), получаем:

Здесь в правой части уже все величины доступны измерениям. Однако количество теплоты, выделяющейся при бомбардировке термостолбика катодными частицами, было очень малым, его измерение неизбежно сопровождалось существенными ошибками. Кроме того, сомнительным было предположение, что при ударе катодная частица полностью передает свою энергию.
Более надежные результаты дал так называемый метод постоянного отклонения, в котором Томсон использовал одновременное отклонение частиц в электрическом и магнитном полях.
Пусть l — расстояние, проходимое частицей под действием однородного электрического поля напряженностьюЕ. Время t, необходимое для прохождения этого пути со скоростью ?, равно

.

На частицу действует электрическая сила ,  которая сообщает ускорение а в направлении вектора ,  которая сообщает ускорение а в направлении вектора .Скорость ?₁
в направлении вектора  будет возрастать по закону  будет возрастать по закону . Тогда , и второй закон Ньютона запишется так: , и второй закон Ньютона запишется так: , откуда .
Допустим, что луч под действием электрического поля отклоняется на небольшой угол ?, тогда

                                            (7)

Если на луч вместо электрической действует магнитная сила, перпендикулярная направлению скорости ?, то скорость в направлении действия силы будет

Пусть под действием этой силы луч отклонится на угол ?, тогда

                             (8).

Из (7) и (8) имеем:

,         ,         

В опытах Томсон подбирал поля так, что ? = ?, тогда получается:

.

Измерения и вычисления по этой формуле дали значение, близкое к известному в настоящее время значению удельного заряда электрона.
Томсон тогда еще не имел оснований говорить об электроне. Пока катодная частица — корпускула. Он писал:
«Объяснение, которое кажется мне наиболее простым и прямым для данных фактов, использует точку зрения на строение химических элементов, которая поддерживается многими химиками: эта точка зрения предполагает, что атомы различных химических элементов представляют различные агрегации атомов одного и того же рода. В той форме, которую придал этой гипотезе Проут, атомы различных химических элементов есть атомы водорода; в этой примитивной форме гипотеза является уязвимой, но если мы заменим водород некоторой неизвестной первородной субстанцией…
В очень сильном электрическом поле вблизи катода молекулы газа диссоциируют и расщепляются не на обычные химические атомы, а на названные первородные атомы, которые мы будем для краткости называть корпускулами; и если эти корпускулы заряжены электричеством и отбрасываются от катода электрическим полем, то они будут вести себя точно так же, как катодные лучи».
Так была сформулирована мысль о существовании элементарной частицы вещества. Но это было только начало.
Пятый этап — убеждение в реальности электрона. Результатом опытов было определение не массы элементарной частицы, а отношения заряда к массе. Но ведь малость этого отношения могла быть обусловлена комбинацией двух величин е₀ и m. Гипотеза могла быть основательной только при наличии доказательства, что каждая частица имеет одинаковый заряд, равный заряду одновалентного иона при электролизе или заряду одновалентного газового иона. Эта мысль была ключом к решению проблемы. Ее впервые четко сформулировал Дж. Дж. Томсон в рассмотренной работе. Под его руководством в этом же 1897 г. в Кембриджской лаборатории начались измерения той величины, которую Стоней назвал электроном. (Напомним, что Стоней вычислил элементарный заряд.)
Первую работу провел ученик Томсона Генри Таунсенд. Он получил значение элементарного заряда, близкое к современному.
Поскольку речь шла об утверждении новой фундаментальной истины, сам Томсон и его ученики варьировали условия экспериментов с целью убедиться в том, что во всех случаях электрон имеет один и тот же заряд и удельный заряд. Однако различные опыты давали заметно отличающиеся друг от друга значения е₀ и е₀ /m.(Нужно иметь в виду несовершенство измерительной техники того времени!) Это порождало сомнения в существовании электрона. Они были окончательно рассеяны лишь после опытов Милликена.
Томсон, однако, был глубоко убежден в реальности электрона и смело шел дальше.
Первый шаг к раскрытию структуры атомов. Нужно теперь повторить основные этапы пути, приведшего к открытию электрона. Вначале была установлена природа катодных лучей. Оказалось, что это поток частиц. Затем было выяснено, что все частицы одинаковы, все они отрицательно заряжены. Измерение отношения заряда к массе показало, что частицам следует приписать массу, примерно в тысячу раз меньшую массы легчайшего из атомов. Отсюда идея Томсона о том, что эти частицы — осколки атомов, причем осколки одинаковые. Томсон убежден, что, кроме деления материи на атомы, есть еще «более тонкое дробление» на корпускулы, каждая из которых несет элементарный заряд е₀ . (Пока еще корпускула не называется электроном.)
Открытие радиоактивного излучения (1895), термоэлектричества (1897), исследование фотоэффекта (1898) еще более укрепило уверенность Томсона в существовании элементарной частицы материи. И он выступил в 1898 г. с решительным заявлением: «Я рассматриваю атом составленным из большого числа малых тел, которые я буду называть корпускулами; эти корпускулы одинаковы… В нормальном атоме этот ансамбль корпускул образует электрическую нейтральную систему…
Электризацию газа я рассматриваю как явление, сводящееся к расщеплению некоторых из атомов газа, что приводит к отделению корпускул от этих атомов. Отщепившиеся корпускулы ведут себя подобно отрицательным ионам, каждый из которых переносит постоянный отрицательный заряд, который мы будем для краткости называть единичным зарядом; в то же время оставшаяся часть атома ведет себя подобно положительному иону с единичным положительным зарядом и массой, большой по сравнению с массой отрицательного иона».
«Корпускулы являются повозкой, с помощью которой электричество переносится от одного атома к другому» (подчеркнуто мною.— В. Д.).
Далее Томсон пытается построить количественную теорию атома. Он исходит из представления об атоме как сферическом теле, заполненном положительным зарядом, внутри которого вращаются электроны. Скорость вращения не может превосходить некоторой предельной величины. Если электронов больше восьми, то они располагаются несколькими кольцами; число электронов в каждом кольце уменьшается с уменьшением радиуса кольца. Так впервые появилось представление об электронных оболочках атомов.
Теория Томсона открыла путь к объяснению химических свойств атомов, структуры периодической системы химических элементов Менделеева. Однако возможности теории Томсона оказались ограниченными. Большинству явлений она могла дать лишь качественное описание.
Открытие атомного ядра. Нужно, обратить внимание учащихся на то, что в модели Томсона была важная деталь, которая не следовала из опыта. Действительно, положительный заряд считался равномерно распределенным по всему объему атома. Опыт не давал оснований для этой гипотезы. Отрицательный заряд связан с частицами, делится на одинаковые порции, почему же положительный заряд представляется в виде какой-то гипотетической жидкости?
Если так поставить вопросы, учащиеся, наверное, будут убеждены в необходимости дальнейших исследований по раскрытию структуры атома и будут с интересом следить за дальнейшим ходом событий.
Установление структуры атома было сделано в Манчестерской лаборатории, руководимой Э. Резерфордом.

Эрнест Резерфорд родился в 1871 г. в семье мелкого фермера в Новой Зеландии. После окончания Новозеландского университета. В 1894 г. он получает правительственную стипендию для продолжения образования в Англии. Выдающиеся способности Резерфорда сразу же замечает Дж.Дж. Томсон и представляет ему возможность самостоятельной научной работы в Кавендишской лаборатории. Первые работы Резерфорда были посвящены изучению ионизации газов. Он установил существование тока насыщения в газе при действии ионизатора. Уже в 26 лет Резерфорд был приглашен занять кафедру физики в университете Монреаля. Здесь он начал исследования радиоактивности, феноменальные по плодотворности результатов. В 1907 г. его приглашает Манчестерский университет. Здесь интересы Резерфорда сосредоточиваются на проблеме рассеяния радиоактивных излучений веществом, решение которой привело к установлению структуры атома. С 1919 г. до смерти в 1937 г. Резерфорд — профессор Кембриджского университета  и директор  Кавендишской  лаборатории.