В начале 90-х годов позапрошлого столетия профессор Вюрцбургского университета Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) экспериментировал с так называемой трубкой Крукса, в которой создавались катодные лучи. Однажды по окончании опыта ученый, как обычно, накрыл трубку чехлом из плотного черного картона, но по рассеянности забыл выключить индуктор, питающий трубку. Выключив свет в лаборатории, Рентген внезапно заметил свечение экрана из платиносинеродистого бария, находящегося неподалеку от трубки. Пораженный этим явлением, ученый начал экспериментировать с экраном, удаляя последний от трубки. В своём первом сообщении, опубликованном в статье «О новом роде лучей» ( статья датирована 28 декабря 1895 г.), В.К. Рентген указывает, что флюоресценция экрана видна ещё на расстоянии 2-х метров от трубки. Путем тщательно проведенных опытов Рентген доказал, что картон, непрозрачный ни для солнечного света, ни для электрической дуги, пронизывается каким-то «агентом», вызывающим энергическую флюоресценцию, – этот «агент» он назвал «Х-лучами» (во многих странах и по сей день открыты Рентгеном лучи называются так, как назвал их автор открытия). Рентген исследовал проникающую способность Х-лучей для различных веществ и нашел, что они легко пронизывают бумагу, дерево, тонкие слои металла, но сильно задерживаются свинцом. Затем он обнаружил, что если между трубкой и экраном расположить руку, то видны тёмные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки. Это было первое рентгенологическое исследование человеческого тела. Первые рентгеновские снимки ученый приложил к своей брошюре. Он установил, что природа Х-лучей отлична от природы катодных лучей; они не несут заряда и не отклоняются магнитным полем, однако возбуждаются катодными лучами в стеклянных стенках разрядной трубки. Рентген установил, что Х-лучи возбуждаются и в металлах. Он указал, что новые лучи ведут себя иначе, чем известные к тому моменту ультрафиолетовые, видимые, инфракрасные лучи. По своим химическим и люминесцентным действием они схожи с ультрафиолетовым излучением. Ученый высказал гипотезу (впоследствии не подтвердившуюся), что Х-лучи могут быть продольными волнами в эфире.
Опыты Рентгена вызвали огромный интерес в научном мире и были повторены во многих физических лабораториях. В Москве такие опыты проделал П.Н. Лебедев; в Петербурге А.С. Попов демонстрировал их на публичных лекциях, получая различные ренгенограммы. В 1901 г. В.К. Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии по физике. Французский физик и математик Анри Пуанкаре (1854–1912 гг.) на заседании Парижской Академии наук 20 января 1896 г. демонстрировал присланные ему Рентгеном снимки и высказал предположение, что рентгеновское излучение связано с флуоресценцией и, возможно, всегда возникает в люминесцирующих веществах, так что никакой катодной трубки для получения Х-лучей не нужно. Среди участников заседания был член Парижской Академии наук Антуан Анри Беккерель (1852 – 1908 гг.), отец и дед которого, как и он сам, много лет занимались флуоресценцией и фосфоресценцией. Он решил проверить предположение Пуанкаре, и уже в феврале 1896 г. Беккерель продемонстрировал действие люминесцирующего сернистого цинка на завернутую в черную бумагу фотопластинку. Затем он решил использовать для опытов соли урана, поскольку они особенно сильно флуоресцировали на солнце. Беккерель взял из коллекции своего отца двойной сульфат уранила калия. Обернув фотопластинку черной бумагой, он положил её на металлическую пластинку, покрытую слоем урановой соли, и выставил на несколько часов на яркий солнечный свет. После проявления фотопластинки на ней проступило отчетливое изображение металлической пластинки, покрытой слоем урановой соли. Повторные опыты дали аналогичный результат, и 24 февраля 1896 г. ученый доложил об этом в Академии. Казалось, что гипотеза Пуанкаре подтверждается, но осторожный Беккерель решил поставить experimentum crucis – контрольный опыт. В ходе контрольных опытов обнаружилось, что соли урана сами по себе, без всякого внешнего воздействия, испускают невидимые лучи, засвечивающие фотопластинку и проходящие через непрозрачный материал. Второго марта 1896 г. Беккерель сообщил о своем открытии. Было установлено, что «лучи Беккереля» способны ионизировать воздух, разряжать заряженный электроскоп. При этом способность урана испускать такие лучи не ослабевала месяцами. В конце 1897 г. к исследованию «лучей Беккереля» подключается Мария Склодовская-Кюри (1867–1934) – молодая полька, работающая в Париже. Поставив перед собой вопрос, только ли уран способен испускать «лучи Беккереля», М. Кюри исследовала с помощью электроскопа множество различных образцов – минералов, горных пород и т.д. В апреле 1898 г. М. Кюри обнаруживает еще одно такое вещество – торий. Свойство испускать лучи подобно урану и торию М. Кюри назвала «радиоактивностью». Тогда же, в апреле 1898 г., М. Кюри обнаружила, что образцы урановой руды из Иоахимстальских рудников в Чехии гораздо более радиоактивны, чем чистый уран. Начиная с этого момента, к исследованиям радиоактивности подключается муж М. Кюри – известный французский физик Пьер Кюри (1859–1906). Супруги Кюри высказали предположение, что в иоахимстальской руде, помимо урана, содержится новое, еще не известное радиоактивное вещество, и решили выделить его из руды. После нескольких месяцев напряженного экспериментального труда выяснилось, что в иоахимстальской руде содержится не одно, а два новых радиоактивных вещества. Одно из них – аналог висмута – оказалось в 400 раз активнее урана. М. и П. Кюри назвали новый химический элемент «полоний» – в честь Польши, родины Марии Кюри. Другое вещество – аналог бария – обладало активностью в миллион раз выше, чем уран, и было названо «радием», что в переводе с латинского означает «лучистый». В 1903 г. Анри Беккерель, Мария и Пьер Кюри за открытие и исследование радиоактивных веществ были удостоены Нобелевской премии по физике. В 1897 г. происходит еще одно важное событие в мире физики. В уже упоминавшейся нами Кавендишской лаборатории в Кембридже была наконец разрешена загадка катодных лучей. В течение многих лет о природе этих лучей шёл спор между представителями двух европейских научных школ – немецкой (Г. Герц, Ф. Ленард и др.) и английской (в первую очередь, В. Крукс). В то время как немецкие физики были уверены в том, что катодные лучи представляют собой излучения определенного вида, английские физики придерживались той точки зрения, что так называемые «катодные лучи» на самом деле являются потоком частиц неизвестной природы. Этот спор в конце концов разрешился в пользу сторонников второй, корпускулярной концепции. Доказал корпускулярную природу «катодных лучей» 40-летний директор Кавендишской лаборатории Джозеф Джон Томсон (1856–1940). Он руководил лабораторией с 1884 (после лорда Релея) по 1919 год, когда добровольно сложил с себя полномочия Кавендишского профессора, уступив эту должность Э. Резерфорду. К концу XIX века Кавендишская лаборатория превратилась в крупнейший исследовательский центр, в международную школу физиков. Открытие ренгеновских лучей обострило интерес Д.Д. Томсона к явлениям прохождения электрического тока через газы. В 1903 г. выходит в свет монография Томсона «Прохождение электричества через газы». В ходе этих исследований и был открыт электрон. В то время как воздействие магнитного поля на катодные лучи у физиков сомнений не вызывало, действие на них электрического поля не было общепризнанным: одни авторы утверждали, что они наблюдали воздействие электрического поля на катодные лучи, другие отрицали это. Томсону удалось показать, что это разногласие объяснялось низкой техникой откачки газа. Остатки ионизированного газа в трубке нейтрализуют влияние внешнего электрического поля. Томсон усовершенствовал технику откачки и получил заметные отклонения катодного пучка электрическим полем. Трубка Томсона с впаянными в нее пластинками конденсатора стала прообразом электроннолучевой трубки – кинескопа. Подвергая катодный пучок действию электрического и магнитного полей, Томсон смог определить отношение заряда частицы к ее массе (удельный заряд). Это отношение оказалось не зависящим от природы газа в трубке и примерно в 1000 раз большим, чем удельный заряд водородного иона, найденный из законов электролиза. Если принять, что заряд катодной частицы равен по величине заряду иона водорода, то масса такой частицы должна быть в 1000 раз меньше массы самого легкого из атомов. Этот результат был ошеломляющим. Затем Томсон исследовал отношение заряда к массе для частиц, вырываемых ультрафиолетовым светом из металлов, для частиц, испускаемых накаленным катодом, – и всюду порядок величины этого отношения оказался таким же, как для катодных лучей. Открытые Томсоном мельчайшие частицы стали называть электронами (этот термин ввел в свое время Г. Гельмгольц для обозначения элементарных порций электричества, обнаруживаемых при электролизе). Стало ясно, что электроны должны входить в состав атомов всех веществ. Сам Томсон построил электромагнитную модель атома, предположив, что отрицательно заряженные частицы – электроны – располагаются определенным образом внутри положительно заряженного шара (модель «пудинга с изюмом»). Независимо от Томсона, такую же модель предложил и лорд Кельвин. Однако модель Томсона не выдержала проверку экспериментом и была заменена позднее моделью Резерфорда-Бора, о чем будет подробно рассказано ниже. Метод Томсона имеет фундаментальное значение. Он лежит в основе устройства электронно-лучевой трубки, первые образцы которой были построены в 1897 г. самим Томсоном и независимо от него Ф.Брауном. Развитие метода Томсона составляет основу электронной оптики, электронных ламп, ускорителей заряженных частиц. Образно говоря, Томсон научил физиков «управлять электронами», и в этом его непреходящая заслуга. В 1906 г. Томсону за его исследование прохождения электричества через газы была присуждена Нобелевская премия по физике. Ученик Томсона Ч.Т.Р. Вильсон в 1911 г. впервые построил в Кавендишской лаборатории камеру для регистрации микрочастиц («камера Вильсона»).