На исходе 19-го века было проведено много опытов по изучению электрического разряда в разреженных газах. Разряд возбуждался между катодом и анодом, запаянными внутри стеклянной трубки, из которой был откачан воздух. При достаточно большой разности потенциалов между катодом и анодом наблюдалось свечение газа внутри трубки. При сильном разрежении (создании вакуума) свечение внутри трубки исчезало, темная область вокруг катода расширялась, пока не достигала противоположного конца трубки, который начинал после этого светиться (цвет свечения зависел от сорта стекла). То, что проходило от катода и заставляло светиться стеклянный экран, было названо катодными лучами.Чтобы определить природу катодных лучей, английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) проводит следующий эксперимент. Его экспериментальная установка представляет собой вакуумную электронно-лучевую трубку. Накаливаемый катод является источником катодных лучей, которые ускоряются электрическим полем, существующим между анодом и катодом. В центре анода имеется отверстие. Катодные лучи, прошедшие через это отверстие и движущиеся прямолинейно со скоростью v, попадают в точку на стенке трубки напротив отверстия в аноде. Если стенка покрыта флуоресцирующим веществом, то попадание частиц в точку проявляется как светящееся пятнышко. На пути от анода к точке частицы проходят между пластинами конденсатора, к которым может быть приложено напряжение от батареи.
Если включить эту батарею, то пучок частиц отклоняется её электрическим полем и на экране возникает пятнышко. Создавая в области между пластинами конденсатора ещё и однородное магнитное поле, можно вызвать отклонение пятнышка в том же или обратном направлении. Томсон обнаружил, что катодные лучи ведут себя как отрицательно заряженные частицы: “Поскольку катодные лучи несут отрицательный заряд, отклоняются под действием электростатической силы, как если бы они были отрицательно заряженными, и реагируют на магнитную силу точно так же, как реагировали бы на неё отрицательно заряженные тела, двигавшиеся вдоль линии распространения лучей, я не могу не прийти к заключению, что катодные лучи суть заряды отрицательного электричества, переносимые частицами материи. Тогда встаёт вопрос: что это за частицы? Являются ли они атомами, молекулами или материей в более тонком состоянии разделения? С целью пролить некоторый свет на этот вопрос я провёл целый ряд измерений отношений массы этих частиц к величине заряда, переносимого ими.”Опыты проводились таким образом, что отклонение катодных частиц (корпускул, согласно терминологии Джозефа Джона Томпсона) электрическим полем было скомпенсировано воздействием магнитного поля (пятнышко при этом возникало в точке G). Приравняв действующие на частицы силы, можно найти отношение e/m заряда частицы к её массе. Он оказался почти в 1840 раз больше, чем удельный заряд самого лёгкого иона водорода, который был определён до этого из других опытов. Если считать, что заряд корпускулы равен по модулю заряду иона водорода, то масса катодной частицы оказывается почти в 1840 раз меньше массы иона водорода.Так открыли первую элементарную частицу с наименьшей величиной электрического заряда. В дальнейшем она получила название "электрон".После открытия в 1897 году электрона, входящего в состав атома, был сделан вывод о сложном строении атома. Первая достаточно разработанная модель атома была предложена Томсоном. Согласно этой модели вещество в атоме несет положительный заряд и равномерно заполняет весь объем атома. Электроны “вкраплены” в атом, словно изюм в булку.Возникал вопрос о том, как электроны распределены в атоме? Эти сведения можно было бы добыть с помощью следующего опыта. Тонкие пластинки вещества бомбардируются различными частицами, и по отклонению этих частиц можно получить сведения об атомах вещества пластинки.Этой задачей занялся Эрнест Резерфорд (1871-1937 гг.) – английский ученый, известный своими исследованиями строения атома и радиоактивности, один из создателей атомной и ядерной физики. Резерфорд был членом Лондонского королевского общества – академии наук Англии, почетным членом более 30 академий и научных обществ разных стран мира, в том числе Академии наук СССР. В 1908 году он был лауреатом Нобелевской премии за исследования радиоактивности. В качестве бомбардирующих частиц взяли тяжелые частицы, которые лучше всего подходили для изучения строения атома. Чтобы по возможности точнее исследовать единичные столкновения частиц с атомами мишени, было желательно, чтобы сама мишень была как можно тоньше. К счастью, золотая фольга обладает тем замечательным свойством, что путем расплющивания ее можно сделать исключительно тонкой, толщиной всего лишь в 400 атомов золота.В ранних экспериментах исследовались малые углы рассеяния и было обнаружено, что практически все частицы проходили через мишень, не отклоняясь, как если бы атомы мишени были совершенно прозрачны для бомбардирующих частиц (угол отклонения порядка одного градуса).Затем молодому сотруднику Марсдену было поручено выяснить вопрос о том, могут ли частицы рассеиваться на большие углы? И вот в 1909 году наступил тот зимний день, когда Марсден остановил на университетской лестнице Резерфорда и совсем буднично произнес:”Вы были правы, профессор: они возвращаются…”. Отражение от мишени означало, что частица встретила на пути достойную преграду – массивную и положительно заряженную: только такая может с силой оттолкнуть от себя прилетевшую гостью. Редкость события говорила о крайне малых размерах преграды. И потому, пронизывая атомы мишени, лишь немногие частицы попадают в массивную атомную сердцевину. Подавляющее большинство пролетает в отдалении от нее и рассеивается на малые углы.
