Коли протон ще не мав імені: відкриття каналових променів

Історичний контекст (друга половина XIX ст.)

Друга половина XIX століття ознаменувалася бурхливим розвитком атомної фізики та електрики. Хоча хімічна атомістика (ідея, що речовина складається з атомів) була широко прийнята, фізики ще дискутували, чи існують у атомів внутрішні складові. Зокрема, досліди з газорозрядними трубками відкривали нові явища. У 1858 році Юліус Плюкер спостерігав загадкове зеленувате світіння стінок розрядної трубки від негативного електрода (катода). У 1869 році його учень Йоганн Гітторф зафіксував тінь від предмета, поставленого на шляху цього випромінювання – тим самим довів, що промені виходять прямо від катода . Ці катодні промені були досліджені Вільямом Круксом у 1870-х: він показав, що магнітне поле відхиляє їх, причому напрямок вказує на негативний заряд частинок. Водночас було помічено, що катодні промені не залежать від виду газу чи матеріалу електродів – це натякало, що йдеться про універсальні носії електрики, а не про атоми конкретних елементів [1].

Юліус Плюкер та Йоганн Гітторф

На той час залишалося неясним, чим саме є катодні промені – потоком частинок чи особливим електромагнітним випромінюванням. До кінця 1880-х наукова спільнота розділилася на два табори. Більшість британських і французьких фізиків (як-от сам Крукс) вважали їх потоком заряджених частинок, адже промені відхилялися магнітом. Німецькі ж фізики переважно дотримувалися думки, що це хвилі в ефірі (аналогічно світлу), оскільки промені рухаються прямолінійно і, як вважалося, не відчувають дії гравітації. У 1892 році Генріх Герц, авторитетний німецький експериментатор, повідомив, що катодні промені не відхиляються електричним полем – цей результат підтримав хвильову гіпотезу. Лише 1897 року Дж. Дж. Томсон у Кембриджі повторив дослід Герца у кращому вакуумі та однозначно продемонстрував відхилення променів в електричному полі [1]. Це стало доказом, що катодні промені – це потік негативно заряджених частинок (пізніше названих електронами), тобто електрика має гранульовану, атомарну структуру.

Отже, наприкінці XIX ст. фізики вже відкрили електрон – першу субатомну частинку. Проте про існування протилежно заряджених частинок (позитивних складових атома) лише здогадувалися. Атом в цілому електронейтральний, тому після виявлення електрона логічно постало питання: а де ж позитивний заряд? У 1880-х роках відповідь була неочевидною. Деякі вчені припускали, що позитивний заряд розподілений по всьому атомі як безперервна «пудингоподібна» маса (такі моделі з’являться трохи згодом). Однак прямого експериментального свідчення існування самостійної позитивно зарядженої частинки тоді не було. В 1886 році німецький фізик Євген Гольдштейн наблизив науку до цієї відповіді – хоча сам він тоді й не усвідомлював, що фактично спостеріг перший проблиск майбутнього протона.

Ойген Гольдштейн: життя та внесок (1850–1930)

Ойген Гольдштейн народився 1850 року в Глейвіці (Верхня Сілезія, нині Глівіце, Польща) в єврейській родині [2]. Він навчався фізики в Бреслау, а з 1871 року – у Берліні під керівництвом видатного вченого Германа Гельмгольца [2]. У 1881 році Гольдштейн здобув докторський ступінь, після чого більшу частину кар’єри працював в Потсдамській обсерваторії, займаючись астрофізикою та фізикою газового розряду [2, 3]. Його науковий інтерес на все життя зосередився на електричних розрядах у розріджених газах. Першу працю він опублікував 1876 року, а останні – понад 50 років потому, вже в кінці 1920-х, тобто Гольдштейн був активним дослідником до глибокої старості [3]. Помер вчений у 1930 році в Берліні, побачивши за своє життя трансформацію фізики від класичної до атомної і навіть ядерної.

Ойген Гольдштейн. Зображення: https://ru.wikipedia.org/w/index.php?curid=5211725

Гольдштейн відомий перш за все як першовідкривач так званих каналових променів (німецькою Kanalstrahlen), про що детально піде мова далі. Окрім того, він зробив значний внесок у вивчення катодних променів – саме Гольдштейн запровадив цей термін (Kathodenstrahlen) для позначення явища, відкритиого Плюкером [3]. У 1876 році молодий дослідник показав, що катодні промені відкидають різкі тіні від непрозорих предметів. Це доводило, що промені рухаються прямолінійно від катода і поводяться радше як потік частинок, ніж як хвиля. Більше того, Гольдштейн спостерігав, що пучок катодних променів виходить перпендикулярно до поверхні катода  – цей ефект він використав для фокусування променів за допомогою увігнутого катода, чим заклав основу для майбутніх трубок з електронними променями (наприклад, осцилографів, телевізорів тощо). До 1880 року Гольдштейн разом з іншими фізиками (Вільямом Круксом та ін.) продемонстрували відхилення катодних променів магнітним полем, зміцнюючи “корпускулярну” точку зору[3] .

Фактично Гольдштейн став одним із небагатьох німецьких учених, хто наважився сперечатися з хвильовою гіпотезою, наводячи експериментальні докази на користь існування частинок [3]. Надалі він виконав серію витончених дослідів: намагався виміряти швидкість «летючих частинок» за Доплерівським зміщенням спектральних ліній у їхньому світінні, досліджував, як катодні промені змушують світитися різні речовини, і навіть спостерігав незвичне “дифузне відбиття” променів від анода (як з’ясувалося пізніше, це побічно приводило до відкриття рентгенівських променів). Усі ці роботи зробили Гольдштейна досвідченим експертом з газових розрядів. Саме тому він був готовий помітити новий ефект, який інші пропустили.

Відкриття каналових променів (1886)

У 1886 році Гольдштейн провів дослід, який увійшов до історії фізики. Використовуючи скляну розрядну трубку з розрідженим газом, він встановив усередині катод із отворами (перфорований катод). На той час було добре відомо, що при подачі високої напруги між електродами в розрідженому повітрі від катода до анода спрямовується пучок світних катодних променів. Гольдштейн же звернув увагу на те, що відбувається по інший бік катода. Він помітив слабке сяяння, що виходило через отвори в катоді і світилося позаду нього (тобто з боку, протилежного аноду) [4]. Вчений дійшов висновку, що крім відомих катодних променів, які рухаються від негативного катода до позитивного анода, в трубці присутні ще інші промені – вони прямують у зворотному напрямку, від анода до катода. Оскільки ці загадкові промені проходили крізь отвори (канали) в катоді, Гольдштейн назвав їх «каналовими променями» (Kanalstrahlen) [4, 7].

Що являло собою обладнання Гольдштейна? За описами сучасників, це була варіація трубки Крукса: скляна колба, з якої відкачано більшість повітря, дві електроди – анод і катод – приєднані до джерела високої напруги (індукційної котушки). Катод зроблено металевим і тонким, з просвердленими отворами або навіть у вигляді металевої сітки [5] При розряді (напрузі у десятки кіловольт) за низького тиску газ починає світитися. Як неодноразово відзначали дослідники, світіння газу в таких трубках має складну структуру: біля катода видно тонкий яскравий шар (“катодне світло”), далі – темна область, потім знову світні області, аж до анода. Гольдштейн особливо цікавився саме шаром безпосередньо біля катода, який раніше багато ким ігнорувався [5]. В експериментах 1886 року він використав катод, що майже перекривав поперечний переріз трубки. Було помічено: якщо катод суцільний, то при достатньому розрідженні край його диска темніє, і світіння залишається лише в центрі [5]. Але якщо зробити в катоді отвір або пори, то через ці “канали” проривається пучок світла, який можна спостерігати позаду катодної пластини [4]. Гольдштейн побачив ці промені як сніп світла, що виходить з отворів катода і тягнеться в простір за ним. Колір цього снопа змінювався залежно від газу: наприклад, в розрідженому водні він мав один відтінок, а в неоні чи повітрі – інший (про зміну кольору згадувалося і в публікації самого Гольдштейна) [6]. Це одразу підказувало, що природа нових променів пов’язана з частинками самого газу всередині трубки.

У вересні 1886 року Гольдштейн опублікував результати своїх дослідів у протоколах Берлінської академії наук (нім. Sitzungsberichte der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin). Стаття мала промовисту назву: «Про ще одне не досліджене випромінювання при катоді індукованого розряду» (нім. Über eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen) [3]. У цій праці він вперше ввів термін “каналові промені”. Основні спостереження були такі: при достатньо розрідженому газі з катода з прорізями виходять промені у напрямку до катода ззаду (тобто рухаються протилежно до катодних променів) [4], ці промені мають світіння, колір якого залежить від газу, та вони менш інтенсивні, ніж звичайні катодні.

Рис. 1. Сітчастий катод у скляній трубці. Навколо нього спостерігається світіння — прояв нового типу променів, згодом названих канальними. Рис. 2. Пласка катодна пластина з отворами. З отворів виходять жовті канальні промені в умовах вакууму. Рис. 3. Катод у вигляді металевої капсули з отворами. Через отвори проходять спрямовані канальні промені із зворотного боку катода. Зображення:Über eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen https://ia600805.us.archive.org/view_archive.php?archive=/13/items/crossref-pre-1909-scholarly-works/10.1002%252Fandp.18972981117.zip&file=10.1002%252Fandp.18983000105.pdf

Гольдштейн дослідив властивості нового явища. Він намагався дізнатися, чи несуть каналові промені електричний заряд. Відомо, що катодні промені легко відхиляються магнітом; каналові ж виявилися значно важчими для відхилення. Гольдштейн прикладав магнітне поле і помітив, що сильний магніт викликає ледь помітне відхилення каналового променя або навіть не викликає зовсім  [6]. Це наштовхнуло його на думку, що нові промені відрізняються від катодних: або ж вони нейтральні, або мають набагато більшу масу/інерцію. Електричне поле того часу було технічно складніше застосувати через конструкцію трубки, тому чіткої відповіді про заряд Гольдштейн не отримав. Він обережно писав, що природа цих променів поки що не з’ясована [6]. Втім, за аналогією з катодними променями (які несуть негативний заряд), логічно було припустити, що каналові промені можуть бути носіями позитивного заряду. Гольдштейн висловив цю ідею: оскільки нові промені рухаються від анода (позитивного електроду) до катода (негативного), то, ймовірно, вони самі заряджені позитивно і притягуються до катода. Таким чином 1886 рік увійшов в історію як дата появи перших доказів існування позитивно заряджених частинок в атомній фізиці [7].

Ці результати були зустрінуті з певною обережністю. Гольдштейн був відомим експериментатором, але його стиль викладення був описовим і обережним, без гучних інтерпретацій. У статті 1886 року він просто констатував відкриття нового променя і запропонував йому назву, уникаючи сміливих тверджень про будову атома. Можливо, через це його робота спочатку не привернула належної уваги колег.

Каналові vs катодні промені: шлях до позитивних іонів

Чим же каналові промені відрізнялися від катодних? По-перше, напрямком руху: катодні промені – це електрони, що летять від катода до анода, тоді як каналові летіли у зворотний бік, виходячи через отвори в катоді. По-друге, складом: катодні промені однакові у будь-якому газі (це всюди електрони однакової маси і заряду), а каналові явно залежали від газового наповнення. Гольдштейн помітив зміну кольору променів при заміні газу, тобто характеристика променів пов’язана з властивостями газу [6]. Згодом було з’ясовано, що каналові промені – це не універсальні «ефірні» промені, а потоки позитивно заряджених іонів конкретного газу. Наприклад, якщо трубка заповнена воднем, каналові промені складаються з позитивних йонів водню; якщо неоном – то з йонів неону і т.д. [2]. Сам Гольдштейн не міг точно виміряти відношення заряду до маси цих частинок, але запідозрив, що їх маса значно більша, ніж у електронів (адже магніт ледве відхиляв промінь). Це підтвердилося у подальших дослідах інших учених.

Важливою особливістю каналових променів є те, що вони фактично відкрили шлях до виявлення протона. Зокрема, у випадку водню позитивні частинки, що летять від анода, – це ніщо інше, як ядра атомів водню, тобто протони. Гольдштейн, звісно, не знав цього поняття і не використовував термін «протон» (його введе в обіг лише Ернест Резерфорд у 1920 році). Проте з позиції сучасності можна сказати, що Гольдштейн першим спостерігав протони в лабораторних умовах – у вигляді каналових променів у розрядній трубці з воднем [2]. У 1886 році він, звичайно, не виділяв якийсь особливий “водневий промінь”; але через 10–12 років стане зрозуміло, що серед різних газових йонів саме йони водню є найлегшими і мають найбільше відношення заряду до маси.

Резерфорд у 1892 році, у віці 21 року. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=35928266

Для кращого розуміння природи каналових променів знадобилися подальші дослідження. Гольдштейн не був теоретиком і обмежився відкриттям явища. Наступний крок – детальні вимірювання заряду і маси цих частинок – зробив інший німецький фізик, Вільгельм Він. Цікавий факт: Він був учнем Гольдштейна (працював під керівництвом того ж Гельмгольца) і на момент відкриття 1886 року лише закінчив університет [4]. Минуло 11 років, перш ніж Він узявся досліджувати каналові промені у 1897–1898 роках. За цей час наука вже визнала існування електрона, тож питання про позитивні носії заряду стало актуальнішим. Він сконструював спеціальний прилад з сильними електричними й магнітними полями, щоб відхиляти каналові промені і вимірювати їхню питому зарядженість. 1898 року Він повідомив, що йому вдалося відхилити каналові промені в електричному полі (напрям відхилення вказав на позитивний заряд частинок) [4]. Він також виміряв відношення заряду до маси (e/m) для цих частинок і отримав величину, приблизно у 10000 разів меншу, ніж для катодних променів (електронів) [3]. Це означало, що маса частинок каналових променів у ~10000 разів більша, ніж маса електрона, за умови, що заряд такий самий по величині. Так і є: електрон має масу ~9.11×10⁻³¹ кг, тоді як, скажімо, йон водню (протон) – 1.67×10⁻²⁷ кг, тобто майже в 1836 разів важчий (а для йонів інших газів маса ще більша). Вільгельм Він зробив висновок: каналові промені – це потік позитивних йонів газу, аналогічний до потоку електронів у катодних променях, тільки набагато важчих [4]. Таким чином, він однозначно встановив електричну природу відкритих Гольдштейном променів.

Цікаво, що Гольдштейн сам спершу не до кінця визнавав висновки свого учня. Ще у 1901 році, через кілька років після експериментів Віна, Гольдштейн заявляв, що каналові промені “не вдається відхилити ні електрично, ні магнітно”. Очевидно, він сумнівався в результатах, можливо через недостатню чутливість своїх старих дослідів. Багато консервативних учених на рубежі століть продовжували вважати і катодні, і каналові промені проявами ефірних процесів, а не потоками матеріальних частинок [4]. Лише поступово відкриття електрона та позитивних йонів завойовували загальне визнання.

Реакція наукової спільноти (1886–1900-ті роки)

Відкриття Гольдштейна 1886 року спочатку не отримало широкої підтримки. У Німеччині його колеги поставилися доволі стримано. Причин було декілька. По-перше, як вже згадувалося, багато німецьких фізиків того часу скептично ставилися до “частинкових” моделей. Роботи Гольдштейна з газовими розрядами, хоч і акуратні, сприймалися як описові і не надто теоретично осмислені [6]. Сам він не робив гучних висновків про будову атома, тож дехто недооцінив значення відкриття. По-друге, публікація з’явилася у німецькому академічному журналі обмеженого поширення. Відомо, що звіт Гольдштейна в Monatsberichte Берлінської академії лежав “майже непоміченим протягом 12 років” . Лише в кінці 1890-х інтерес до неї зріс, коли після відкриття рентгенівських променів видавець Георг Відеман перевидав працю Гольдштейна у більш доступному журналі Annalen der Physik (в 64-му томі за 1898 рік) [6]. Тобто фактично лише наприкінці століття європейська наукова спільнота вдруге звернула увагу на каналові промені, уже озброєна новими знаннями про електрони та рентгенівські промені.

Хто ж підтримав піонерську роботу Гольдштейна? Перш за все, як зазначено, Вільгельм Він у Німеччині став головним продовжувачем цієї тематики, провівши серію дослідів (1897–1912 рр.), що підтвердили заряджену природу каналових променів [4]. Цікаво, що Він надалі більше прославився як теоретик (лауреат Нобелівської премії з фізики 1911 року за закон випромінювання), але його експериментальні роботи з йонами були надзвичайно важливими. Іншим учнем Гольдштейна був Йоганнес Штарк – він у 1906 році спостерігав Доплерівське зміщення спектральних ліній світла, випромінюваного швидкими каналовими йонами [3]. Це підтвердило високі швидкості цих частинок та дало перший прямий доказ оптичного Доплер-ефекту для джерела на Землі. Згодом Штарк отримав Нобелівську премію (1919) за відкритий ним ефект розщеплення спектральних ліній в електричному полі, але роботи з каналовими променями теж були значущими в його кар’єрі.

Йоганнес Штарк. Зображення: https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3347847

Англійські науковці спочатку більше зосереджувалися на катодних променях (дебати щодо електрона тривали до 1897 року). Проте після визнання електрона інтерес переключився і на позитивну сторону. Дж. Дж. Томсон – керівник Кавендішської лабораторії в Кембриджі – у 1900-х роках активно досліджував «промені позитивної електрики», як він їх називав. Томсон фактично переосмислив відкриття Гольдштейна з нових позицій. У 1906–1907 роках він сконструював удосконалений апарат для аналізу каналових променів: застосував комбінацію сильних магнітних та електричних полів, щоб розкласти пучок позитивних йонів на компоненти за масою.

В травні 1907 р. Томсон опублікував працю «Про промені позитивної електрики», де показав, що у розрядній трубці з воднем існують дві різні позитивні частинки – легші і важчі. Легша відповідала йону водню H⁺ (ядру водню), а важча – йону молекули H₂⁺ [6]. Це було одним з перших спостережень молекулярних йонів. Томсон продовжив ці дослідження і зрештою створив метод аналізу позитивних променів, який став прообразом мас-спектрометра. У 1913 році він опублікував монографію «Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analysis», де описав відкриття ним ізотопів неону за допомогою відхилення каналових променів у магнітному полі (Ne-20 і Ne-22) [4]. Таким чином, до 1913 року каналові (анодні) промені перетворилися з наукової цікавинки на потужний інструмент для хімії та фізики – прототип мас-спектроскопії. Томсон та його учень Ф. Астон (лауреат Нобеля 1922 р.) використовували їх для відкриття ізотопів багатьох елементів. Але серед усього різноманіття йонів особливе місце займав найпростіший – йон водню.

Саме йон водню став тим, що пізніше назвали протоном. Ще Він у 1899 році відзначав, що в розрядах при низькому тиску водню виникають позитивні частинки, які найімовірніше є йонами атомів водню [6]. Томсон у 1910-х також визнавав, що найменший носій позитивного заряду – це частинка, маса якої відповідає атому водню. Проте історичне закріплення протона як окремої субатомної частки відбулося завдяки експериментам Ернеста Резерфорда. Резерфорд, відкривши у 1911 році атомне ядро (після славнозвісних дослідів із розсіювання α-частинок), припустив, що ядро складається з більш елементарних складових. У 1917–1919 роках він провів серію дослідів з бомбардування атомів азоту α-частинками (ядрами гелію). Результат був приголомшливим: із азоту вилітали ядра водню. Резерфорд дійшов висновку, що α-частинка вибиває з ядра азоту протон, перетворюючи азот на кисень  [8]. У 1919 році він опублікував ці результати, фактично здійснивши штучну трансмутацію елемента і виявивши, що водень (протон) є складовою частиною ядер важчих елементів. На початку 1920 року Резерфорд у своїй промові запропонував називати ядро водню “протоном” (від грец. protos – перший) [8]. Ця назва прижилася, і з того часу протон визначають як субатомну частинку з позитивним зарядом +1, що входить до складу атомних ядер.

Схематичний вигляд лобового зіткнення між альфа-частинкою та атомом. Радіус атома становить близько 10−10 м, а мінімальна відстань зупинки становить близько 10−14 м. By Kurzon - Own work, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=149042080

В ретроспективі, відкриття Гольдштейна відіграло ключову роль у всій цій історії. Саме каналові промені стали тим «недостаючим пазлом», що дозволив вченим знайти позитивний компонент атома. Спершу Гольдштейн показав явище, хоч і не до кінця зрозумів його значення. Потім Він і Томсон розвинули методи роботи з позитивними променями, навчилися вимірювати їхні характеристики, що привело до відкриття протона як конкретної частинки. На кінець 1920-х років картина будови атома стала такою: у центрі масивне позитивне ядро (складене з протонів та нейтронів), а навколо – легкі негативні електрони. Шлях до цього розуміння почався у 1886-му з простого спостереження світного променя за отворами в катоді. Тож, хоча «протона не було» у науковому лексиконі Гольдштейна, його відкриття стало історичним кроком до появи протона в атомній моделі.

Використані джерела:

1. Atom - Electrons, Protons, Neutrons | Britannica

2. Eugen Goldstein - Wikipedia

3. Goldstein E. Über eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen // Sitzungsberichte der Königlichen Akademie der Wissenschaften zu Berlin. – 1886. – S. 691. (Goldstein, Eugen | Encyclopedia.com)

4. Wien K. 100 years of ion beams: Willy Wien’s canal rays // Brazilian Journal of Physics. – 1999. – Vol. 29, No. 3. – P. 401–408. (SciELO Brazil - 100 years of ion beams: Willy Wien's canal rays 100 years of ion beams: Willy Wien's canal rays ) (SciELO Brazil - 100 years of ion beams: Willy Wien's canal rays 100 years of ion beams: Willy Wien's canal rays )

5. Goldstein E. Über eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen // Annalen der Physik und Chemie. – 1898. – Bd. 64. – S. 38–48. (Ueber eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen) (Ueber eine noch nicht untersuchte Strahlungsform an der Kathode inducirter Entladungen)

6. Carl E. Moore and Bruno Jaselskis, Loyola University, Chicago, IL 60626Alfred von Smolinski University of Illinois at Chicago, Chicago, IL 60637 Published in the Journal of Chemical Education, Vol. 62, No. 10. October 1985, pg. 859-860. The Proton (JCE 10/85)

7.    1.12: Protons - Chemistry LibreTexts

1. Rutherford E. An anomalous effect in nitrogen (Collision of α particles with light atoms IV) // The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. – 1919. – Ser. 6, Vol. 37, No. 221. – P. 581–587. (Rutherford, transmutation and the proton – CERN Courier) (Rutherford, transmutation and the proton – CERN Courier)