PreludiumTrinity 1945
Wieczorem 15 lipca 1945 roku kolumna wojskowych autobusów wyruszyła z laboratorium jądrowego w Los Alamos niedaleko Santa Fe w północnej części stanu Nowy Meksyk. Jechało nimi 400 naukowców i techników, którzy przez ostatnie pięć lat brali udział w desperackim wyścigu, którego celem było zbudowanie bomby atomowej przed Niemcami lub Japończykami. Pojazdy zmierzały do miejsca położonego nieco ponad 250 kilometrów na południe od Los Alamos - na pustynię Jornado del Muerto, gdzie pod osłoną nocy naukowcy mieli nadzieję poznać owoce swojej kilkuletniej pracy.
Krótko po 2.00 konwój dotarł do celu podróży, a zziębnięci, lecz niezwykle podekscytowani pasażerowie wysiedli z autobusów, gotowi na pierwszą w historii atomową eksplozję. W otaczających ich ciemnościach byli w stanie dostrzec słabe światło znajdujących się 32 kilometry dalej reflektorów. Spoglądając przez lornetki, można było zobaczyć trzydziestometrową wieżę, która z daleka wyglądała jak porzucony stalowy maszt wiertniczy. U jej szczytu zawieszony był ogromny pojemnik zawierający bombę.
Do tego momentu w historii wszelkie eksplozje były chemiczne i wywoływane przez iskrę. Największa z nich, która miała charakter planowy, a nie była skutkiem wypadku, miała miejsce w 1885 roku i została przeprowadzona przez Korpus Inżynieryjny Armii Stanów Zjednoczonych przy użyciu 150 ton materiałów wybuchowych[I]. Wybuch zniszczył całą wyspę na East River w Nowym Jorku, otwierając drogę dla statków, i był słyszany aż 80 kilometrów dalej, w Princeton w New Jersey. Obliczenia naukowców z Los Alamos przewidywały, że moc wybuchu jądrowego pochodząca z zaledwie 6 kilogramów plutonu byłaby równa 20 000 ton dynamitu. To tak, jakby wybuchł pancernik zbudowany z samej nitrogliceryny. Gdyby test się powiódł, znaczyłoby to, że niszczycielską siłę - pięciokrotnie większą niż ta, którą miały wszystkie bomby zrzucone na Drezno w nalotach 13-15 lutego w 1945 roku przez 1400 bombowców - można by w przyszłości dostarczyć za pomocą zaledwie jednego samolotu przenoszącego tylko jedną bombę.
Na to wskazywała teoria, a eksperyment miał pokazać, czy jest to rzeczywiście wykonalne. Wciąż przecież istniały obawy co do wiarygodności obliczeń. Temperatura podczas wybuchu miała wynieść dziesiątki milionów stopni, znacznie więcej niż wartość temperatur panujących w jądrze Słońca, i część naukowców obawiała się, że piekło, które miało się rozpętać, spowoduje zapalenie się ziemskiej atmosfery. Fizycy teoretycy z Los Alamos ponownie sprawdzili swoje obliczenia i zapewniali wątpiących, że atmosfera przetrwa eksplozję. Ufając, że obliczenia są wolne od wszelkich błędów, naukowcy zajęli swoje miejsca pośrodku pustyni w oczekiwaniu na to, co miało się wydarzyć.
Na wysokości 1565 metrów nad poziomem morza noc na pustyni była bardzo zimna. Poprzedniej nocy były burze, lecz teraz było już spokojnie. Poprzez cienką warstwę chmur nieśmiało migotały gwiazdy, lecz światło błyskawic pojawiające się co rusz za otaczającymi pustynię wzniesieniami i słyszane co jakiś czas grzmoty wciąż mogły zakłócić test i pokrzyżować plany. Według prognoz pogoda miała się poprawić w ciągu kilku godzin, więc na próbę wyznaczono godzinę 5.30 rano, tuż przed świtem[1].
Wiszący na wieży zbiornik zawierał kawałki plutonu, pierwiastka tak niestabilnego, że nie występuje on naturalnie na Ziemi, ponieważ wszystkie jego atomy pierwotne dawno uległy rozpadowi. Podobnie jak w Układzie Słonecznym Pluton - planeta karłowata - jest za Uranem, tak w układzie okresowym pierwiastków pluton znajduje się za uranem, najcięższym z pierwiastków występujących naturalnie na błękitnym globie. Pluton ma gęstość niemal dwukrotnie większą od ołowiu i jest promieniotwórczy, a w wyniku rozpadu atomowego przeistacza się w uran i inne bardziej trwałe pierwiastki. Pluton potrzebny do przeprowadzenia próby został wytworzony w reaktorach metodą bombardowania neutronami jąder atomów uranu. Pozyskanie 6 kilogramów materiału rozszczepialnego zajęło wiele miesięcy.
Niewielkie ilości plutonu ulegają rozpadowi, uwalniając energię powoli, lecz kiedy zbierzemy pokaźniejszą ilość materiału, przekraczającą tzw. masę krytyczną, doprowadzimy do eksplozji. I nie będzie to zwykły wybuch, taki jak w przypadku TNT czy dynamitu, podczas którego atomy wyzwalają energię chemiczną. W przypadku plutonu eksplozja będzie wynikiem uwolnienia energii jądrowej - energii zamkniętej wewnątrz jąder atomów od czasów sprzed uformowania się naszej planety[II].
Po to, by przekroczyć wspomnianą masę krytyczną, naukowcy wymyślili, że ta część plutonu, która znajdowała się w bezpiecznej przestrzeni blisko powierzchni sferycznego zbiornika, ma ulec implozji, formując superkrytyczną masę w jego środku. Aby tak się stało, materiały wybuchowe zostały umieszczone wokół zbiornika w układzie dwunastu sześciokątów oraz dwudziestu pięciokątów - takim, jak ten, który znajdujemy na piłkach futbolowych.
Niewielka ilość promieniotwórczego materiału wewnątrz urządzenia spontanicznie uwalniała neutrony, obojętne elektrycznie cząstki stanowiące część jądra atomu. Kiedy jeden neutron uderzy w jądro atomu plutonu, jądro ulegnie rozbiciu na dwie części w procesie, który nazywamy rozszczepieniem jądra atomowego. Jądra plutonu także zawierają neutrony. Rozszczepienie uwalnia zarówno energię, jak i dwa lub trzy neutrony z wnętrza jądra atomu. Jeśli próbka plutonu jest mniejsza od masy krytycznej, wówczas neutrony te uciekną, zanim zdołają wywołać kolejne rozszczepienia, ale już w przypadku ilości przekraczających masę krytyczną, dojdzie do kolejnych kolizji, a to z kolei wywoła dalsze procesy rozszczepienia i uwolni energię. Trzy uwolnione neutrony uderzą w kolejne atomy, wyzwalając więcej energii i kolejne neutrony. Proces ten trwa, prowadząc do czwartej, piątej i kolejnych generacji uwolnionych neutronów. W ten sposób w ciągu mniej niż jednej tysięcznej części sekundy następuje wykładniczy wzrost liczby wolnych neutronów i ilości energii. Eksplozja nastąpi w mgnieniu oka.
Niedługo po godzinie 5 rano wszyscy zostali postawieni w stan pogotowia przez rozlegające się z głośników komunikaty informujące o zbliżającym się teście. Zaczęto odliczanie. Teraz należało założyć specjalne gogle chroniące oczy przed światłem tak jasnym, że według przewidywań mogło ono uszkodzić wzrok, posmarować się kremem z filtrem i położyć na piasku. Kilka sekund po 5.29 elektryczne impulsy biegnące wzdłuż kilku kilometrów kabli do wieży z kulą plutonu dotarły do celu, czyli do materiałów wybuchowych na powierzchni kuli. To doprowadziło do ich detonacji, powodując zapadnięcie się powłoki i implozję pojedynczych fragmentów plutonu w skoncentrowaną, większą od masy krytycznej bryłę w centrum bomby.
W miejscu, gdzie chwilę wcześniej źródło promieniowania wytwarzało praktycznie nieszkodliwe neutrony, teraz, w sercu układu, gdzie nastąpiła implozja plutonu, nie było dla nich ucieczki. Niepowstrzymane piekło rozpoczęło się, gdy jeden neutron zainicjował jedno rozszczepienie i natychmiast wywołał reakcję łańcuchową, która przetoczyła się przez zwartą materię metalu szybciej niż błyskawica. Energia zgromadzona w jądrach atomów plutonu została uwolniona z nieznaną dotąd siłą wybuchową. Siła eksplozji była miliardy razy większa niż ciśnienie atmosferyczne, a temperatura czterokrotnie wyższa niż ta panująca w sercu Słońca. Nic na ziemi nie jest w stanie wytrzymać takich warunków.
Wiele kilometrów dalej, po drugiej stronie doliny, nie wszyscy zamknęli oczy lub leżeli odwróceni. Niektórzy rzucali ukradkowe spojrzenia na odległą wieżę.
Ci, którzy to zrobili, zobaczyli chwilowy błysk przypominający odległy wschód słońca, lecz jasny jak w samo południe. Ranne ptaszki we wsi Tularosa, ponad 65 kilometrów na południowy wschód, zobaczyły coś, co wyglądało jak przedwczesny świt na północy, daleko od miejsca, w którym normalnie pojawiało się słońce. Wybuch emitował światło w całym zakresie widma elektromagnetycznego. Naukowcy zgrupowani w odległości wielu kilometrów od miejsca wybuchu widzieli szczeliny i szczyty otaczających gór na krótko oświetlone dziwnym zielonkawym blaskiem.
Oprócz błysku światła widzialnego w wyniku wybuchu powstała temperatura wynosząca wiele milionów stopni Celsjusza. To wytworzone przez człowieka sztuczne słońce spowodowało, że metalowa wieża wyparowała, a otaczający miejsce testu piasek natychmiast zamienił się w szkło. Gaz z rozbitych atomów unosił się gwałtownie, powodując burzliwe wiry. Utworzyły one centralną kolumnę, która wciągnęła gruz i skondensowała parę wodną obecną w atmosferze, tworząc trzon czegoś, co wyglądało jak gigantyczny grzyb, jakiego nikt nigdy wcześniej nie widział.
Nawet po rozprzestrzenieniu się na odległość około 15 kilometrów, ciepło pochodzące z wybuchu parzyło skórę obserwatorów. Jeden z nich opisał to jako "otwarcie gorących drzwi piekarnika, z którego wychodziło słońce niczym podczas wschodu"[2]. Emitowane promieniowanie obejmowało promienie rentgenowskie i śmiercionośne promienie gamma, światło o energii wielokrotnie wyższej niż światło widzialne. Te niewidzialne promienie przechodziły przez filtry przeciwsłoneczne obserwatorów, przenikały ich skórę, a następnie ciała. Intensywny strumień promieni rozbijał nici ich DNA, powodując uszkodzenia genetyczne, które wiele lat później doprowadziły do mutacji, a w niektórych przypadkach do zagrażających życiu nowotworów.
W wielu filmowych interpretacjach lub kronikach filmowych ukazujących wybuchy atomowe dramatyzm wizualny nabiera dodatkowej intensywności dzięki towarzyszącym eksplozji ogłuszającym dźwiękom[III]. Nie jest to jednak to, czego doświadczyli obserwatorzy. Oni ujrzeli oznaki apokalipsy, ale w całkowitej ciszy.
Było tak, ponieważ promieniowanie cieplne, promienie gamma i sam obraz przemieszczają się z prędkością światła - dotarły one do obserwatorów natychmiast! - ale dźwięk przemieszcza się z prędkością 330 metrów na sekundę, czyli przebywając 1,5 kilometra w ciągu około 5 sekund. Przez około minutę pustynna noc była więc cicha, z wyjątkiem okrzyków naukowców. Okrzyki ucichły, gdy wszyscy schronili się, a niesamowity widok chmury radioaktywnych szczątków wznoszącej się już na wiele kilometrów w stratosferę zwiastowały to, co nastąpi za mniej niż minutę.
Obserwatorzy znajdujący się 15 kilometrów dalej zazdrościli tym, którzy znajdowali się w pierwszym rzędzie, 9,5 kilometra od punktu zero, lecz teraz wiadomo było, że wybuch był potężniejszy, niż większość się spodziewała i nawet 15 kilometrów wydawało się odległością zbyt bliską, by czuć się komfortowo. Eksplozja była wystarczająco głośna, by roztrzaskać błony bębenkowe, a zaraz po niej nastąpiło tsunami powietrza o wysokim ciśnieniu, mechaniczny efekt eksplozji, poruszający się z prędkością około 800 kilometrów na godzinę i niszczący wszystko na swojej drodze z niepowstrzymaną siłą.
Leżąc płasko na ziemi, z głowami odwróconymi od wybuchu, twarzami w dół i z rękami na uszach, świadkowie eksplozji poczuli, jak burza mija ich z ogłuszającym hukiem. Odłamki przelatywały obok. Huk odbijał się echem od ścian doliny, tocząc się tam i z powrotem, a przez kilka minut fale uderzeniowe odbijały się od pasm górskich leżących w odległości do 80 kilometrów.
W międzyczasie grzyb atomowy wzniósł się wyżej, zmieniając kolor, aż jego światło osłabło, a na wschodzie pojawiła się czerwona poświata prawdziwego świtu.
Nadeszła era atomowa. Była godzina 05.29 rano w Nowym Meksyku, 16 lipca 1945 roku.
***
Tak naprawdę to mało kto wie, że wydarzyły się trzy rewolucje przemysłowe.
Pierwsza z nich - ta, która nastąpiła w XVIII wieku - była wytworem genialnego umysłu Jamesa Watta, szkockiego wynalazcy, który znacząco ulepszył moc i wydajność silników parowych. Drugą rewolucję przemysłową uruchomiło w XIX wieku odkrycie przez Michaela Faradaya zjawiska indukcji elektromagnetycznej - fundamentalnej zasady, na której oparte jest działanie silników elektrycznych. Trzecia rewolucja miała miejsce w pierwszej połowie XX wieku, kiedy ludzie odkryli, jak uwalniać ogromne pokłady energii zamkniętej w jądrach atomów[IV].
Aby powstała para wodna, woda musi zmienić stan skupienia z ciekłego na gazowy. Spójność (kohezja) cząsteczek wody - H2O - znika nagle w temperaturze 100 stopni Celsjusza, lecz poszczególne atomy wodoru i tlenu wchodzące w skład tych cząsteczek pozostają niezmienione. Pierwsze wskazówki dotyczące procesów zachodzących wewnątrz atomów pojawiły się w początkach XX wieku, kiedy po raz pierwszy zaobserwowano promieniotwórczość i odkryto składniki atomu, ujawniając obecność potężnego rezerwuaru energii atomowej.
Odkrycie elektronu w 1897 roku było równoznaczne ze zidentyfikowaniem nośnika elektryczności oraz źródła magnetyzmu - lokomotywy drugiej rewolucji przemysłowej. Elektrony to naładowane elektrycznie cząstki, które występują na obrzeżach atomów. Prąd elektryczny to przepływ elektronów - przez przewody, ciecze i gazy - który zachodzi wówczas, gdy struktura atomów zostaje zaburzona w miarę, jak oddają one bądź przyłączają elektrony oraz przeorganizowują się po to, by umożliwić swobodny przepływ prądu. Zjawiska chemiczne są wynikiem przemieszczania się elektronów pomiędzy atomami, zmieniającego ich konfigurację w cząsteczkach. Na przestrzeni dziejów atomy wraz z ich elektronami stanowiły siłę napędową nauki i przemysłu. Jednakże przez całe XVIII i XIX stulecie jądro atomu pozostawało bierną, statyczną grudką z dodatnim ładunkiem elektrycznym, zwykłym ziarenkiem, wokół którego krążyły elektrony, tworzące wraz z jądrem spójną całość.
Era atomu nie nastałaby, gdyby ludzie nie odkryli tego ukrytego klejnotu i nie zorientowali się, że ma on swoją wewnętrzną strukturę złożoną z protonów - masywnych, dodatnio naładowanych cząstek - oraz ich prawie-bliźniaków, czyli neutronów - masywnych cząstek obojętnych elektrycznie. Wystarczy nieco zmienić ich organizację, by uwolnić energię w ilościach ponad milion razy większych niż cokolwiek, czego dostarczyły nam dwie poprzednie rewolucje przemysłowe. Odkrycie, które wyznaczyło nadejście Ery Atomu, niemal dokładnie zbiegło się w czasie z początkiem II wojny światowej. Jego eksperymentalne przetestowanie było zwiastunem zakończenia tego konfliktu.
Spośród wszystkich elementów w ogromnym zestawie składników otaczającej nas materii jądro atomu jest cegiełką najgłębiej ukrytą. W codziennym życiu jedynym przejawem jego widzialnej obecności jest Słońce, olbrzymi nuklearny piec co sekundę przetwarzający 600 milionów ton wodoru na hel.
Temperatura panująca w jądrze Słońca, czyli tam, gdzie ta alchemia ma miejsce, wynosi około 15 milionów stopni Celsjusza. Podgrzejmy to miejsce do dziesiątków milionów stopni lub skupmy równoważną ilość energii, a wydobędziemy na światło dzienne pojedyncze jądra atomowe. W spokojnych warunkach panujących na Ziemi jądra atomowe grzecznie tkwią w atomach, otulone chmurą otaczających je elektronów - nieodzownych pośredników i uczestników reakcji chemicznych i biologicznych, a tym samym rozwoju i utrzymania życia. W procesach tych jądra atomów zajmują swoje stałe miejsca w ich centrach, stanowiąc mniej niż jedną bilionową objętości atomu. Efekty aktywności elektronów widzimy na co dzień w postaci iskier, piorunów i zórz polarnych, podczas gdy promieniotwórczość - jedyny naturalny przejaw obecności jąder atomów - pozostaje zjawiskiem, które wymyka się naszym zmysłom. Gdyby nie szczęśliwy splot wypadków i wnikliwość genialnych umysłów, jądra atomów jeszcze długo byłyby dla nas okryte tajemnicą.
Pierwsze oznaki istnienia energii jądrowej wydawały się tak mało znaczące i błahe, że niezwykle łatwo było je przeoczyć. Przypadkowe odkrycie w 1896 roku niewyraźnych smug na płytce fotograficznej leżącej w zamkniętej, ciemnej szufladzie zainspirowało dążenie do wyjaśnienia, a później okiełznania tej nowej siły natury. Początki poszukiwań ukrytego źródła energii były niewinne, a ich przebieg oparty na pokojowej współpracy naukowców, aż do wydarzeń, które miały miejsce w latach trzydziestych XX wieku i których początkiem było nastanie faszyzmu[V]. W ciągu dokładnie 50 lat nauka odkryła, jak uwalniać energię jądrową i dostarczać ją i w postaci stabilnego strumienia w reaktorach jądrowych, i w gigantycznej eksplozji bomby jądrowej lub termojądrowej o tak potężnej sile, że z dowolnego miejsca mogłaby ona unicestwić całe życie na Ziemi.
Przez tysiąclecia przyroda ukrywała przed nami obecność jąder atomów. Pojedyncze wskazówki były jednak widoczne i to dzięki nim ta fascynująca opowieść w odcinkach rozpoczęła się w Niemczech pewnego późnego listopadowego popołudnia 1895 roku.
1Trzecia rewolucja
W połowie XIX wieku nauka zaczęła rozumieć świat materialny. Pierwsza rewolucja przemysłowa - związana z silnikami parowymi, rozwojem termodynamiki oraz zastosowaniem praw ruchu Newtona - miała już 100 lat. Ciała stałe, ciecze i gazy, takie jak lód, woda i para wodna, rozumiano jako składające się z wielu mikroskopijnych cząstek - atomów lub molekuł - będących w ciągłym ruchu. Ówcześni uczeni byli zgodni co do tego, że średnia energia kinetyczna cząstek przekłada się na temperaturę układów, które tworzą, a w efekcie ich wzrastającego pobudzenia - w miarę wzrostu temperatury - uporządkowana struktura cząsteczek lodu przeradza się w bardziej chaotyczną strukturę cieczy, by następnie uwolnić z niej cząsteczki pary. Kinetyczna teoria ciepła stanowiła fizyczne ogniwo łączące termodynamikę ze światem atomów.
Chemia była już ugruntowaną nauką, z atomami leżącymi u jej podstaw. Wszystkie atomy każdego z wyróżnionych pierwiastków uważane były za identyczne, niezniszczalne i nieprzeniknione - coś w rodzaju miniaturowych kul bilardowych. Połączenie pojedynczych atomów jednego lub więcej pierwiastków tworzyło cząsteczki. Te chemiczne połączenia umożliwiły uczonym ustalenie mas atomowych różnych pierwiastków w odniesieniu do masy atomu wodoru, najlżejszego pierwiastka o masie 1 w atomowej jednostce masy (AMU). Dla przykładu cząsteczka wody - H2O - ważąca około 18 AMU pozwala stwierdzić, że masa atomowa tlenu wynosi 16 AMU, badając zaś dwutlenek węgla i związki azotu da się ustalić, że masy atomowe węgla i azotu wynoszą odpowiednio 12 i 14 AMU[VI].
W 1869 roku, kiedy rosyjski chemik Dmitrij Mendelejew uporządkował znane wówczas pierwiastki według ich mas atomowych, zauważył też, że podobne do siebie właściwości chemiczne tych pierwiastków występują z okresową regularnością. To doprowadziło do stworzenia układu okresowego, w którym Mendelejew umieścił pierwiastki z podobnymi właściwościami w kolumnach - te najlżejsze u góry, te najcięższe - u dołu. Następnie ustawił kolumny jedną obok drugiej według porządku wyznaczonego przez ich względne masy[VII]. Takie uszeregowanie dało galerię pierwiastków ułożonych w coś, co przypominało kalendarz adwentowy z obecnymi w nim pustymi miejscami. Mendelejew przewidział, że te puste miejsca zostaną w przyszłości zapełnione wciąż nieodkrytymi pierwiastkami i tak się w istocie stało, gdy między 1875 a 1886 rokiem odkryte zostały gal, german i skand w, kolejno, Francji, Niemczech i Szwecji. W czasie, kiedy powstawał układ okresowy Mendelejewa, znane były tylko 62 pierwiastki, a w tej grupie tor i uran były najcięższe, z masami atomowymi wynoszącymi 231 i 240 AMU[VIII]. Na podstawie ich właściwości chemicznych Mendelejew umieścił uran w kolumnie oddzielonej pustym miejscem od toru. To oznaczało domniemanie istnienia pierwiastka o masie atomowej mieszczącej się pomiędzy masą toru i uranu, któremu Mendelejew nadał in blanco nazwę eka-tantal - czyli coś znajdującego się jedno miejsce niżej od tantalu.
Atomy były podstawowymi cegiełkami substancji stanowiących paliwo dla pierwszej rewolucji przemysłowej. Siły elektryczne i magnetyczne, które cementują te cegiełki w spójną całość, były zwiastunem drugiej rewolucji przemysłowej.
Koła pasowe i automatyzacja młynów, pierwszy transatlantycki statek parowy oraz budowa kolei ucieleśniały mechanistyczne spojrzenie na to, co oferuje natura, zatem nie może dziwić, iż fale światła także wyobrażano sobie jako zjawisko o naturze mechanicznej, z nieuchwytnym eterem, przez który się rozchodziły - bądź - co bądź wszystko, co mechaniczne, potrzebuje czegoś, co podtrzyma ruch. W następstwie sformułowania teorii elektromagnetyzmu przez Jamesa Clerka Maxwella w 1865 roku, a potem eksperymentalnego potwierdzenia przez Heinricha Hertza istnienia przewidzianych przez teorię fal radiowych nawet najbardziej twardogłowi zwolennicy mechaniki musieli uznać, że coś jest nie tak z teorią eteru: ustalenia Maxwella pokazywały, że światło to efekt oscylujących w pustej przestrzeni pól elektrycznych i magnetycznych, mogących przenosić energię cieplną bez udziału pośredniczących cząstek.
Pewna książka z tamtej epoki szumnie obiecywała objaśnienie tej nowej mądrości[3]. Składała się ona z 1258 pytań oraz odpowiedzi na nie na 274 stronach. Pierwsze pytanie brzmiało "Czym jest światło?", zaraz po nim było "Czym jest ciepło?" i "Jakie są cechy ciepła?". Pytanie numer 4 dotyczyło tajemniczego zjawiska leżącego u podstaw nowej, elektromagnetycznej rewolucji: "Czym jest elektryczność?". Odpowiedź na to pytanie brzmiała tak: "Elektryczność to właściwość charakteryzująca siłę obecną w całej materii, która nieustannie dąży do osiągnięcia równowagi. To, czym właściwie jest elektryczność, jeszcze nie zostało odkryte". W ciągu ostatniej ćwierci XIX stulecia właśnie tego próbowali dociec uczeni.
Energia elektryczna to nie tylko coś, co przepływa przez przewód niczym płyn przez rurę - może ona przechodzić również przez powietrze, czego dowodem są pioruny. To podsunęło uczonym myśl, że przepływ prądu elektrycznego można niejako zobaczyć "na otwartej przestrzeni", z dala od skrywających go przewodów. Prąd elektryczny płynie przez ciecze zawierające jony - atomy, które zyskały dodatkowe elektrony bądź utraciły część swojego ładunku elektrycznego[IX]. Kiedy prąd przechodzi przez zakwaszoną wodę, na elektrodzie dodatniej, czyli anodzie, wydziela się tlen, a na ujemnej - katodzie - wodór. Każdy jon wodorowy niesie ze sobą maleńką ilość dodatniego ładunku elektrycznego.
To na razie tyle, jeśli chodzi o prąd przechodzący przez ciecze. A czy dysponując techniką z końca XIX wieku, dałoby się badać prąd elektryczny przepływający przez gaz? Jednym z wynalazków pierwszej rewolucji przemysłowej była pompa próżniowa, dzięki której można było znacząco zmniejszyć ciśnienie gazu wewnątrz tuby do wartości mniejszej niż jedna tysięczna atmosfery. Kiedy przyłożono wysokie napięcie elektryczne do dwóch metalowych elektrod umieszczonych wewnątrz tuby próżniowej, rozrzedzony gaz przewodził prąd elektryczny, dając pierwszą niespodziankę: nieco upiornie wyglądające kolorowe światło jarzące się w pozbawionym powietrza pojemniku.
Widoki nie z tej ziemi
Pionierem badań w tej dziedzinie był brytyjski uczony William Crookes. Przedziwna łuna światła, jaką obserwowano podczas eksperymentów, może niepokoić nawet wówczas, gdy wiemy, skąd się bierze. Wśród uczonych epoki wiktoriańskiej, pracujących nad swoimi doświadczeniami w ciemnościach (dosłownie i w przenośni), zjawisko budziło autentyczną grozę. Crookes dużo wcześniej zaangażował się w praktyki spirytystyczne, na co wpływ miała śmierć jego brata. Poszukując naukowych dowodów na istnienie duszy, obsesyjnie obserwował światła w używanej przez siebie tubie. Przekonany, że podczas seansów spirytystycznych widział "świecące zielone obłoki" - a efekty świetlne powstałe w tubie mają dokładnie taką samą postać - Crookes w 1874 roku ogłosił, że oto właśnie wytworzył ektoplazmę[X].
Choć był on z tego powodu przez niektórych wyśmiewany, jego eksperymenty ujawniły znaczące zmiany, jakim efekty świetlne podlegają w miarę spadku ciśnienia. Przy najniższym ciśnieniu, jakie udawało się wówczas uzyskać, wyładowania elektryczne w gazie przyjmowały formę świetlistych prążków. Gdy powietrza w rurze było coraz więcej i więcej, obszary pomiędzy świecącymi prążkami poszerzały się, aż w końcu ciemność wypełniała całą przestrzeń pomiędzy elektrodami. A jednak, co zadziwiające, wciąż przewodziła prąd elektryczny.
Crookes zauważył, że szkło na końcówce tuby jasno świeci. To oznaczało, że jakieś niewidzialne promienie musiały przebyć całą długość ciemnej rury, od ujemnie naładowanej katody, by uderzyć w szklaną część po przeciwnej stronie. By to sprawdzić, Crookes umieścił wykazujący fluorescencję materiał na drodze, którą przebywały te promienie katodowe. Przekonał się wówczas, że materiał zaczynał świecić. Ostateczny dowód na istnienie promieni pojawił się wtedy, gdy włożył do tuby kawałek metalu i zobaczył rzucany przezeń cień w świetle wytworzonym na końcu pojemnika. Z czego składały się tajemnicze promienie, wciąż pozostawało zagadką.
W Niemczech, na Uniwersytecie w Würzburgu, pięćdziesięcioletni Wilhelm Röntgen miał nadzieję znaleźć odpowiedź na to pytanie. W listopadzie 1895 roku przeprowadził serię podobnych eksperymentów, by w pewnym momencie ujrzeć zjawisko tak przerażające, że przez chwilę myślał, iż postradał zmysły. Świetnie przygotowany i spostrzegawczy Röntgen miał dokonać jednego z największych przełomów w nauce.
Właśnie zbliżała się 24.00 w nocy z 8 na 9 listopada. Nieco wcześniej, kiedy zapadł już zmierzch, uczony zauważył, że za każdym razem, gdy wywołuje iskrę w tubie, fluorescencyjny ekran znajdujący się w drugim końcu laboratorium zaczyna świecić. To oznaczało, że jakieś niewidzialne promienie powstawały w rurze, przepływając przez nią, by w końcu się z niej wydostać, przebyć przestrzeń pracowni i uderzyć w ekran, powodując jego iluminację. Po późnej kolacji badacz powrócił do laboratorium. Była już noc, lecz mimo tego zasunął zasłony w oknach, by utrzymać ciepło w pracowni i bardziej ją zaciemnić. Miał wówczas pewność, że da się dostrzec nawet blade światło. I właśnie wtedy spotkała go niespodzianka.
Röntgen próbował namierzyć promienie katodowe, umieszczając kawałki tektury na ich drodze i notując miejsca pojawienia się rzucanego przez nie cienia, lecz znajdujący się dalej ekran nie przestawał świecić, z kartkami lub bez nich, tak jakby promienie były zdolne przenikać materię. Uczony następnie próbował zablokować je przy użyciu miedzianych i aluminiowych płytek, lecz i one nie stanowiły dla promieni żadnej przeszkody. Wyglądało na to, że urządzenie Röntgena wytwarzało jakąś nową odmianę promieni, które zdolne były przenikać obiekty nieprzepuszczające światła. Czymkolwiek one były, na pewno nie były to promienie katodowe, które, jak ustalił wcześniej Crookes, a co Röntgen potwierdził, sprawiają, że każdy obiekt znajdujący się na ich drodze rzuca cień. W końcu jednak Röntgen znalazł coś, co mogło je zatrzymać: małą ołowianą płytkę, która rzuciła cień - namacalny dowód na to, że tajemnicze promienie naprawdę istniały.
Fot. 1. Wilhem Röntgen, odkrywca promieni rentgenowskich, otrzymał za to pierwszą Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1901 r.
Trzymając wspomnianą płytkę z ołowiu w ręku, Röntgen przysunął ją blisko fluorescencyjnego ekranu i obserwował, jak rzucany przez nią cień nabiera coraz wyraźniejszych kształtów. Chwilę później z wrażenia wypuścił ją z ręki: na ekranie bowiem pojawił się kształt płytki trzymanej w palcach... zmarłego człowieka. Fizyk przez chwilę przyglądał się kościom swojej własnej dłoni, lecz by rozwiać wątpliwości, wykonał kilka fotografii. W ten sposób dokonał jednego z najbardziej doniosłych odkryć w historii nauki - promieni X - stając się pierwszym człowiekiem, który ujrzał zdjęcia tak powszechne dzisiaj w każdym szpitalu.
Sześć tygodni później, w niedzielę poprzedzającą święta Bożego Narodzenia, Röntgen zaprosił swoją żonę Berthę do laboratorium i wykonał zdjęcie kości jej dłoni, na którym wyraźnie widoczna była obrączka ślubna pani Röntgen. Przeszło ono do historii jako jedna z najsłynniejszych fotografii. W ciągu dwóch tygodni zdjęcie to uczyniło z niego międzynarodową sławę. Niemal od razu dostrzeżono w jego odkryciu możliwe zastosowania medyczne i już w styczniu 1896 roku pierwsze połamane kości zostały uwiecznione na zdjęciach rentgenowskich.
Fot. 2. Zdjęcie rentgenowskie dłoni Anny Berthy Ludwig, żony Röntgena, wykonane przez niego w połowie grudnia 1895 roku
Pochmurny luty
Litera X w nazwie promieni symbolizowała tajemnicę, jaką wciąż stanowiły one dla uczonych. Sam Röntgen był niespecjalnie zainteresowany ustaleniem ich konkretnych właściwości, lecz już 20 stycznia 1896 roku Henri Becquerel, czterdziestoczteroletni paryski fizyk, mający za sobą lata pracy i dokonań w badaniach nad fosforescencją i związkami uranu oraz bogate doświadczenie w fotografii, dowiedział się o promieniach Röntgena podczas spotkania Francuskiej Akademii Nauk. Dwaj lekarze pokazywali tam zdjęcia kości ludzkiej dłoni, wzbudzając ekscytację słuchaczy. Pokazowi towarzyszyło odczytanie fragmentów rozprawy naukowej Röntgena na ten temat[XI]. Niemal natychmiast Becquerel zaczął się zastanawiać, czy promienie, o których mowa, mają związek z występującym naturalnie zjawiskiem fosforescencji, którą wykazują niektóre minerały, świecące w ciemnościach po tym, jak zostały wystawione na działanie światła. Powstało pytanie, czy światło wywołujące fosforescencję jest całkowicie blokowane przez nieprzepuszczające światła przedmioty, czy też składa się z niewidzialnych promieni przenikających materię takich jak promienie X?
Fot. 3. Henri Becquerel, odkrył radioaktywność uranu i otrzymał za to Nagrodę Nobla w 1903 roku
Podczas następnego spotkania Akademii, 24 lutego, zaledwie pięć tygodni po tym, jak usłyszał o promieniach X po raz pierwszy, Becquerel zdawał relację ze swoich pierwszych eksperymentów. Opowiedział zebranym w sali słuchaczom, w jaki sposób podczas pierwszych prób wystawiał wybrane fosforyzujące kryształy soli uranu na działanie światła słonecznego na kilka godzin. Najpierw owinął płyty pokryte emulsją fotograficzną ciemnym papierem i umieścił na nich kryształy. Potem ułożył zestawy jeden obok drugiego w ciemnej szufladzie, dodatkowo umieszczając pomiędzy kryształami a płytami fotograficznymi aluminiowy medalion z wytłoczonym na nim wizerunkiem ludzkiej głowy. Po wywołaniu fotografii zobaczył, że na każdej z nich widnieje zarys medalionu. Obszary znajdujące się pod cieńszą częścią medalu były ciemniejsze niż te pod grubszą, dzięki czemu głowa z medalionu była wyraźnie widoczna na zdjęciu (fot. 4).
Fot. 4. Eksperyment Becquerela z 1896 roku pokazał, że wzbudzony uran przyciemnia płytę fotograficzną. Obszary pod grubszymi częściami medalionu są jaśniejsze niż pod cieńszymi, dzięki czemu głowa jest wyraźnie widoczna
Becquerel dowiódł ponad wszelką wątpliwość, że za uzyskany efekt odpowiadały użyte w doświadczeniu kryształy. Zauważył także, że związki uranu są szczególnie dobre do takich prób, lecz jednocześnie mylił się w swoich przypuszczeniach, że to za sprawą ekspozycji uranu na światło słoneczne powstawała energia konieczna do tego, by uruchomić cały ten proces. Prawdziwy sekret - że uran emituje energię spontanicznie, bez potrzeby wcześniejszego pobudzenia - miał zostać ujawniony nieco później. Niczym Kolumb swoich czasów, Becquerel zaczął od błędnej hipotezy, która gdyby nie szczęśliwy zbieg okoliczności najprawdopodobniej byłaby końcem tej historii.
W poszukiwaniu kolejnego potwierdzenia tego, co już zdołał ustalić, uczony planował kontynuację swoich eksperymentów, lecz pod koniec lutego Paryż był zasnuty chmurami. Błędnie uważając, że do doświadczeń potrzebne jest światło słoneczne, włożył swoje kryształy, płyty fotograficzne oraz miedziany krzyż maltański do szuflady i czekał na zmianę pogody. Kolejne pochmurne dni wprawiły go we frustrację, lecz 1 marca zdecydował się mimo wszystko wywołać płyty. Spodziewając się ujrzeć co najwyżej słabiutki obraz, Becquerel zobaczył coś, co wprawiło go w zdumienie: nadzwyczaj wyraźny zarys miedzianego krzyża otoczonego ciemnymi smugami (fot. 5) na płytkach. Podczas kolejnych tygodni przeprowadził dalsze próby, by potwierdzić, że światło słoneczne było w istocie zbędne dla uzyskania efektu, lecz już na tym etapie mógł mieć co do tego pewność. Następnego dnia, 2 marca, powiedział członkom Akademii o swoim nowym odkryciu: pobudzenie związków uranu może nastąpić w kompletnych ciemnościach! Tym samym Becquerel natknął się na zjawisko zwane promieniotwórczością - spontaniczną emisją energii przez jądra atomów.
Choć odkrycie przez Röntgena promieni X 8 listopada 1895 roku jest tradycyjnie uważane za zwiastun atomowej rewolucji, dzisiaj wiemy, że promienie X są promieniami światła o bardzo wysokiej energii wytwarzanymi w zewnętrznych częściach atomu, a ich jedyny związek z jądrem atomu polega na tym, że skłoniły one Becquerela do zrobienia kolejnego kroku. Mamy też świadomość, że Becquerel posunął wypadki do przodu na podstawie błędnych założeń, szczęśliwie używając do tego uranu podczas pochmurnych dni w Paryżu w lutym 1896 roku.
Fot. 5. Odkrycie Becquerela, że uran spontanicznie emituje promieniowanie, nastąpiło dzięki mglistej plamie przerwanej konturem miedzianego krzyża maltańskiego
Becquerel odkrył pierwsze dowody na emisję energii z wnętrza atomu, lecz choć dzisiaj to dokonanie uznajemy za przełomowe, jest swoistą ironią losu, iż w tamtym czasie nie miało większego znaczenia i nie wpłynęło na postęp. Różne rodzaje promieniowania były w ostatniej dekadzie XIX wieku nowością: promienie katodowe, promienie X, fale radiowe. Wszystkie one - wraz ze światłem widzialnym emitowanym w formie fosforescencji lub przez organizmy żywe, takie jak świetliki - konkurowały o zainteresowanie, a promienie zaobserwowane przez Becquerela przez dłuższy czas były po prostu kolejnym punktem na tej liście. Prawdziwe narodziny epoki promieniotwórczości nastąpiły wówczas, gdy państwo Curie odkryli podobne zjawisko obecne w innych pierwiastkach, w szczególności w radzie - tak silnie radioaktywnym, że świeci w ciemnościach. To Maria Skłodowska-Curie ukuła termin promieniotwórczość (radioaktywność) i to od państwa Curie należy zacząć opowieść o historii badań nad tym zjawiskiem oraz o jego dalekosiężnych konsekwencjach.
Z Polski do polonu
Maria Skłodowska urodziła się w Warszawie w 1867 roku jako piąte i najmłodsze dziecko niezamożnych nauczycieli. Ojciec Marii, nauczyciel przedmiotów ścisłych i matematyki, bardziej niż cokolwiek innego cenił w ludziach pasję zdobywania wiedzy. Używał każdej sposobności, by zaszczepiać w swoich dzieciach zainteresowanie zjawiskami przyrody, np. podczas zachodów słońca tłumacząc im, jak obraca się Ziemia. Cokolwiek by się nie działo, Władysław Skłodowski przekazywał dzieciom swoją własną wiedzę naukową.
Fot. 6. Maria Skłodowska-Curie i Pierre Curie z córką Ir?ne (ok. 1902 r.): troje laureatów Nagrody Nobla z dwóch pokoleń
Maria była najbłyskotliwszym umysłem z całej piątki, zawsze w czołówce najlepszych uczniów w szkole. Kobiety nie miały wstępu na Uniwersytet Warszawski, więc ojciec zachęcił ją i jej siostrę Bronię, by dołączyły do grona kolegów i koleżanek uczących się na tzw. Uniwersytecie Latającym. Studenci oraz nauczyciele uniwersytetu spotykali się potajemnie nocami w różnych miejscach, by uniknąć wykrycia przez władze zaboru rosyjskiego. Skuteczne kształcenie w takich warunkach było właściwie niemożliwe, w 1891 roku Maria opuściła więc Polskę, niemal bez grosza, i wyjechała do bardziej oświeconej Francji. Tam zapisała się na słynną paryską Sorbonę, by studiować fizykę i matematykę. Tam także spotkała osiem lat starszego od siebie fizyka Pierre'a Curie, który był wówczas wykładowcą w École de Physique et de Chemie Industrielle.
Maria i Pierre pobrali się w 1894 roku. Ich pierwsza córka - Ir?ne, przyszła noblistka, urodziła się we wrześniu 1897 roku, a wkrótce potem Maria rozpoczęła doktorat. Pierre zaproponował, by zajęła się nowym promieniowaniem zaobserwowanym przez Becquerela.
Pierre Curie specjalizował się w piezoelektryczności, właściwości asymetrycznych kryształów, która polega na pojawianiu się na powierzchni kryształu ładunków elektrycznych pod wpływem wywieranego na niego ciśnienia. Pierre zaproponował Marii, by użyła piezoelektrycznego kwarcu do wykonania precyzyjnych pomiarów ciśnienia wywieranego przez promieniowanie. Metoda okazała się skuteczna, bo z jej pomocą Maria zdołała obliczyć natężenie promieniowania znacznie dokładniej niż Becquerel. Odkryła wówczas, że moc promieniowania jest proporcjonalna do ilości uranu w dowolnym związku tego pierwiastka, jakiego użyła do badań.
Becquerel podejrzewał, że zaobserwowane przez niego promieniowanie ma związek z uranem, a Maria Skłodowska-Curie ostatecznie potwierdziła te przypuszczenia. Podczas gdy Becquerel skupił się na uranie w nadziei na pozyskanie wiedzy na temat samego promieniowania, Maria poszła w innym kierunku - jej celem było dowiedzenie się, czy jakiekolwiek inne pierwiastki wykazują podobne zjawisko. Wkrótce zorientowała się, że tor, srebrzystobiały metal, który występuje w granicie w ilościach większych niż uran, to także pierwiastek radioaktywny. Oznaczało to, że tajemnicze promieniowanie jest powszechniejszym zjawiskiem w przyrodzie, a nie tylko ciekawostką związaną wyłącznie z uranem.
Był to moment, kiedy Maria poczyniła kolejny krok. Zamiast badać pojedyncze pierwiastki, skierowała uwagę na rudy metali. Wkrótce potwierdziła, że minerały zawierające uran i tor są radioaktywne, jak należało się spodziewać, lecz ku swojemu zaskoczeniu zauważyła także, że intensywność promieniowania radioaktywnego niektórych minerałów jest znacznie większa, niż można było stwierdzić na podstawie obecnej w nich zawartości uranu i toru. W szczególności blenda smolista - brązowawo-czarna skała, dwutlenek uranu - okazała się silnie radioaktywna. Skrupulatne pomiary wykonane przez Marię wkrótce przekonały ją, że radioaktywność blendy smolistej przekracza tę charakterystyczną dla uranu i że w związku z tym musi ona zawierać jakąś dodatkową, wysoko promieniotwórczą substancję.
Teraz najważniejszym wyzwaniem było wyizolowanie tego tajemniczego składnika. Jedyne, co na jego temat było wiadomo, to to, że jest to substancja promieniotwórcza. Teraz oboje państwo Curie przystąpili do pracy, dając początek zupełnie nowej dziedzinie nauki - radiochemii - badającej przemiany chemiczne substancji promieniotwórczych. Strategia Marii i Pierre'a polegała na wybraniu konkretnej rudy, rozpuszczeniu jej, o ile to możliwe, a następnie oddzieleniu jej składników przy użyciu standardowej analizy chemicznej. To służyło zbadaniu, który z nich emituje promieniowanie. Poprzez wielokrotny dobór wysoce radioaktywnego ekstraktu uczeni uzyskiwali zwiększone stężenie substancji powodującej promieniowanie. Winowajca został namierzony zadziwiająco szybko - badania zostały rozpoczęte pod koniec 1897 roku, do kwietnia 1898 roku Maria wyizolowała źródło radioaktywności, a do lipca ustaliła, że jest to wcześniej nieznany pierwiastek. Na cześć swojej nadwiślańskiej ojczyzny nazwała go polonem.
Odkrycie polonu było dopiero początkiem, bo niedługo potem przyszła kolejna rewelacja. Maria kontynuowała pracę nad oczyszczaniem blendy smolistej i do września państwo Curie wykryli kolejny dotychczas nieznany pierwiastek, którego radioaktywność jest tak silna, że w swojej czystej postaci świeci w ciemnościach i jest ciepły w dotyku - rad.
Dzisiaj najbardziej znanym zastosowaniem promieni emitowanych przez rad jest leczenie nowotworów, lecz jego niekontrolowane użycie może doprowadzić do ogromnych szkód i cierpienia. Pierre zginął w tragicznym wypadku w 1906 roku w wieku 46 lat, lecz stawy jego palców już jakiś czas przed śmiercią były opuchnięte za sprawą ekspozycji na promieniowanie, a i Maria cierpiała na liczne nietypowe dolegliwości. Choć dożyła wieku 67 lat, przez długi czas musiała owijać dłonie, by uchronić je przed pojawieniem się pęcherzy, bezpośrednią zaś przyczyną jej śmierci była anemia aplastyczna spowodowana przez nadmierną ekspozycję na promieniowanie. Jej notatniki z zapiskami z eksperymentów, a także jej książki kucharskie były radioaktywne nawet po upływie 50 lat.
Fot. 7. Maria i Pierre Curie otrzymali Nagrodę Nobla z fizyki (w 1903 r.) za badania nad promieniotwórczością. W 1911 roku Maria otrzymała drugą Nagrodę Nobla, tym razem z chemii, za odkrycie polonu i radu
Państwo Curie wraz z Becquerelem otrzymali Nagrodę Nobla w 1903 roku. Becquerel jako pierwszy zaobserwował zjawisko, jednak to właśnie Pierre i Maria Curie odkryli jego ogromny potencjał. Obecnie kiur (ang. curie) to także nazwa jednostki używanej do określania intensywności radioaktywności.
Czym jest elektryczność?
W grudniu 1884 roku, zaledwie cztery dni po swoich 28 urodzinach, Joseph John Thomson, zwany od inicjałów imion jako J.J., został szefem laboratorium fizyki Cavendisha na Uniwersytecie w Cambridge. Jako student był prymusem z matematyki, tylko o włos przegrywając z innym zdolnym człowiekiem wyścig o pierwsze miejsce wśród dyplomantów na prestiżowym kierunku na tej cenionej uczelni. Uznawszy to za "porażkę", Thomson zdecydował się poszerzyć zakres swoich zainteresowań naukowych i podjął się badań nad zarówno eksperymentalnymi, jak i czysto matematycznymi aspektami teorii elektromagnetyzmu.
Nominacja na kierownika laboratorium w przypadku Thomsona była tyleż niecodzienna, co prorocza. Pierwszym uczonym wybranym na to stanowisko był Lord Kelvin, na cześć którego skala temperatur używana w nauce została nazwana skalą Kelwina. W połowie XIX wieku powszechnie uznany za czołowego doświadczalnika w kraju i ojca termodynamiki, który wprowadził do pierwszej rewolucji przemysłowej metody analizy naukowej, Kelvin wolał pozostać w Glasgow. Thomson był zaskakującą alternatywą, choć dzisiaj raczej trudno wyobrazić sobie, by Kelvin mógł dokonać więcej, niż Thomson osiągnął w ciągu kolejnych 35 lat na czele pracowni. W 1897 roku Thomson miał dokończyć dzieła ostatecznego zrozumienia zjawiska leżącego u podstaw drugiej rewolucji przemysłowej, kiedy odpowiedział na pytanie: czym jest elektryczność?
Obserwując, jak promienie katodowe gromadzą ładunek elektryczny po uderzeniu w jakąś powierzchnię, na przykład szkło w tubie próżniowej, Thomson doszedł do wniosku, że muszą się one składać z naładowanych cząstek, a to oznaczało, że mogą one być odchylane przez pole elektryczne lub magnetyczne. Po umieszczeniu dwóch metalowych płytek w tubie, jednej naładowanej dodatnio, a drugiej ujemnie, zorientował się, że promienie katodowe są odpychane przez ujemnie naładowaną płytkę, a przyciągane przez tę naładowaną dodatnio. Co do zasady identyczne ładunki się odpychają, a różnoimienne przyciągają, zatem Thomson dowiódł, że cząstki wchodzące w skład promieni katodowych mają ujemny ładunek elektryczny. Jego przewaga nad wieloma innymi badaczami polegała na tym, że miał on dostęp do najwyższej jakości pomp próżniowych oraz do pól elektrycznych znacznie silniejszych. Niskie ciśnienia uzyskane z pomocą pomp umożliwiały badanym cząstkom łatwiejsze przemieszczanie się, a silne pola elektryczne wyraźniej odchylały tor ich ruchu.
Thomson dokonał przełomu, używając zarówno pola elektrycznego, jak i magnetycznego, by wpływać na ruch wiązki promieni katodowych. Kiedy wiązka uderzała w powierzchnię szkła na końcu tuby, powstawała tam plama zielonego światła. Otaczając tubę zwojami drutu, Thomson wytwarzał pole magnetyczne, które odchylało wiązkę, ale w inny sposób niż pole elektryczne. Oddziaływania elektrostatyczne dotyczą ładunków elektrycznych, a magnetyczne powstają w wyniku poruszania się ładunków, porównując więc dwa rodzaje sił, da się obliczyć prędkość i masę na jednostkę ładunku elektrycznego poruszającej się cząstki. Używając tej metody, Thomson wydedukował właściwości składników promieni katodowych.
W serii przeprowadzonych przez siebie eksperymentów Thomson użył kilku różnych gazów w tubie oraz katod wykonanych z różnych metali, nadawał też wiązce promieni różne prędkości. Za każdym razem zaobserwował, że stosunek masy do jednostki ładunku jest taki sam, z dokładnością do czynnika około 2, oraz że jest on co najmniej tysiąckrotnie większy niż cokolwiek, co zostało dotychczas zmierzone w odniesieniu do jonów atomów. To przekonało Thomsona, że jego wynik dotyczy właściwości promieni i że jest niezależny od rodzaju gazu lub materiału, z jakiego wykonana jest katoda. Jeśli naładowane cząstki były takie same jak to, co odpowiadało za nadawanie ładunku zjonizowanym atomom, to ich masy musiały być co najmniej 1000 razy mniejsze niż masy jakiegokolwiek znanego atomu. A atomy, jak zakładano, były najmniejszymi cząstkami materii.
Thomson dokonał właśnie przełomu, opisując promienie katodowe jako "materię w nowym stanie [...], z której zbudowane są wszystkie pierwiastki chemiczne"[4]. Badane przez siebie cząstki nazwał elektronami. Ogromna wartość stosunku ładunku do masy wynika stąd, że masa elektronu stanowi maleńki ułamek masy całego atomu - około jednej części na 2000 w atomie najlżejszego pierwiastka, wodoru. Jako składnik atomu elektron ma absolutnie fundamentalne znaczenie, ponieważ kiedy elektrony zostają uwolnione z atomów, za sprawą ciepła lub innych form energii, ich uporządkowany ruch stanowi to, co nazywamy prądem elektrycznym.
Za swoje prace nad przewodnictwem elektrycznym w gazach J.J. Thomson otrzymał w 1906 roku Nagrodę Nobla. Choć słusznie zyskał on sławę odkrywcy elektronu, pierwszego bezpośredniego dowodu na istnienie świata subatomowego, jego największą spuścizną jest kierunek, jaki wskazał on w Laboratorium Cavendisha pewnemu młodemu studentowi z Nowej Zelandii. Oto teraz laboratorium, na czele którego zamiast ojca termodynamiki stanął uczony, który dokończył elektryczną rewolucję, powitało w swych progach tego, który miał wkrótce stać się architektem ery atomu - Ernesta Rutherforda.
