Вначале Томсон описывает, как он продолжил эксперимент французского ученого Жана Перрена и доказал, что катодные лучи отклоняются в электрическом поле и при малых напряжениях, которых не удалось достигнуть Перрену. Это подтверждало, что катодные лучи действительно несут отрицательный заряд. Однако, исходя из этого, еще нельзя было сказать, что сами они и есть отрицательно заряженные частицы. Ведь электрические заряды могли бы покачиваться на волнах эфира, как мячи на воде. Надо было еще отклонить катодные лучи в магнитном поле, вот это неопровержимо доказывало бы, что сами катодные лучи — электрически заряженные частицы.

И вот Джи-Джи выдувает с помощью Эверетта причудливую стеклянную колбу с узкой щелью для входа катодных лучей и запаивает в нее анод и катод. На колбу надевают катушку электромагнита. При включении тока на проходящие катодные лучи начинает действовать магнитное поле. Траекторию лучей легко проследить по яркой фосфоресценции того участка стекла, на который они попадают. Кроме того, возникает светящийся ореол и вокруг пучка лучей, проникающих через щель.

Как только включалось магнитное поле, фосфоресцирующий участок стекла сдвигался и путешествовал вместе с отклоняющимся пучком по всей колбе. Кроме того, узкие, сфокусированные щелью пучки превращались в широкий веер, распадающийся на спектр темных и светлых полос. Все эти явления оказались крайне интересными и свидетельствовали не только о том, что катодные лучи — электрически заряженные частицы, но что в разреженном газе возникают любопытные эффекты, причастные к новой области физики: электрическому разряду в газах.

Но Томсон недаром был «нападающим» в науке, как и в футболе. Не останавливаясь на побочных эффектах, он пробивается вперед, чтобы забить гол в ворота истории науки.

Прежде всего он разрабатывает несколько методов экспериментального определения параметров неизвестных частиц. Для Томсона измерить — значит доказать.

Какие же параметры «еще не существовавших» частиц были выбраны Томсоном?

Здесь-то и намечается тот переломный пункт, когда будничное научное исследование превратилось в открытие. Томсон начинает представлять себе эти мельчайшие частицы, как реально существующие, и обращается с катодными лучами, как будто он уже знает, что они бесспорно состоят из электрически заряженных крупинок, обладающих и кинетической энергией mv²/2 и электрическим зарядом е. При этом напрашивается сам собой интересный критерий поведения этих мельчайших крупинок: отношение их массы m к их заряду е. В самом деле: чем больше масса частиц m, тем меньше их отклонение в электрическом и магнитном полях, но зато чем больше их заряд е, тем, естественно, отклонение катодных лучей больше. Следовательно, измеряя отклонения лучей, можно оценить отношение их массы к заряду, а это кое-что может нам сказать и о природе частиц, из которых, по-видимому, состоят катодные лучи.

Один из вариантов метода определения m/e будущих электронов, примененный Томсоном впервые, состоял в следующем.

Поток катодных лучей падал на термоэлектрический спай (термопару), отдавая ему кинетическую энергию частиц, равную N mv²/2 где N — число частиц, проходящих через поперечное сечение пучка за данное время. Термопара, естественно, нагревалась под действием поглощаемой кинетической энергии катодных лучей, и это тепло нетрудно было измерить по повышению температуры спая.

Конечно, согласно закону сохранения энергии кинетическая энергия электрически заряженных частиц равна теплу, приобретаемому термопарой.

С другой стороны, можно было с помощью геометрических построений легко измерить радиус кривизны траектории катодных лучей при их отклонении в магнитном поле. Томсон обозначил этот радиус кривизны через р. Тогда, если выразить напряженность магнитного поля через Н, можно написать уравнение: mv/e = Hp.

Анализ этого уравнения мы представляем юным историкам науки.

Затем Томсон записал следующие формулы:

1) W = mv²/2 — кинетическая энергия частиц;

2) Q = N-e — количество электричества, переносимое этими частицами;

3) V = 2W/QH

4) m/e = H²p²Q/2W.

Таким образом, измерив напряженность магнитного поля Н, радиус кривизны р, количество электричества Q и кинетическую энергию W по нагреву термопары, Томсон сумел впервые измерить неизвестных частиц. Это и послужило первой ступенькой открытия элементарной частицы материи, ибо это отношение, равное 0,4 X 10^-7, оказалось так мало, что заставило предположить: обнаруженные частицы не сравнимы ни с одним из известных атомов или молекул. Новые частицы в тысячу раз легче, чем самый легкий атом — водорода!

Здесь мы предлагаем читателю заглянуть в современные физические справочники и убедиться в том, сколь грубы были первые эксперименты Томсона.

И все-таки Томсон не был бы одним из лучших экспериментаторов своего времени, если бы не продолжил свои опыты по измерению m/e в различных газах.

В самом деле: определив m/e в воздухе, мы еще не доказали, что получим то же самое в аргоне, неоне, водороде. А может быть, полученная нами новая частица не универсальна, а наблюдается только в разреженном воздухе?

И Томсон измерил m/e не только в различных газах, через которые проникали катодные лучи, но изменил самый метод определения этого отношения. Им был разработан знаменитый способ, вошедший впоследствии в атомную физику для разделения электрически заряженных частиц с разными массами и зарядами. Этот метод состоял в том, что на катодные лучи одновременно действовали и электрическое и магнитное поля, направленные перпендикулярно друг другу. Под действием этих взаимно перпендикулярных полей частицы начинали описывать циклоиду — кривую, диаметр которой зависит от напряженности электрического и магнитного полей, а также от отношения m/e. Катодные лучи заключали в коробку с передвижными стенками, служившими обкладками конденсатора. Отодвигая обкладки, изменяли напряженность электрического поля, а таким образом и диаметр циклоиды, описываемой частицами. Можно было, конечно, менять и напряженность магнитного поля. Диаметр циклоиды вычислялся по формуле: 2Xm/eH, где X — напряженность электрического поля, Н — напряженность магнитного поля, m и е — параметры исследуемых неизвестных частиц.

Нетрудно себе представить, какие широкие перспективы открыл метод Томсона, когда физика стала располагать, кроме электрона, другими электрически заряженными частицами, с различными m и е. Этот метод был опубликован Томсоном впервые в журнале «Тhе London Edinburgh and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science» за 1899 год.

В своей статье он описывал также опыты, когда частицы наблюдались не только в различных газах, но и под действием разнообразных возбудителей электропроводности газа. Что это означало? Чрезвычайно важный шаг в работах Томсона: частицы с удивительным отношением m/e наблюдались не только в катодных лучах, но и в электрически ионизованных газах, подвергнутых воздействию рентгеновых лучей или ультрафиолетового облучения. Вот уж теперь можно было говорить об универсальной частице материи: ведь она существует не только в катодных лучах, проходящих через различные газы, но и в газах, подвергнутых ионизации. Эти последние эксперименты — также интересный материал для пытливого