Чтобы убедиться в том, что Томсон во всех опытах наблюдал одну и ту же элементарную частицу с определенными зарядом и массой, нужно было в независимом опыте определить либо заряд, либо массу. Если окажется, что не только отношение этих величин одинаково, но, скажем, и заряды одинаковы, это будет означать, что Томсон открыл новую частицу. Любопытно, что частица, которая была открыта в 1897 году, за шесть лет до этого была предсказана как «естественная единица электричества» и названа «электроном».
Итак, после опытов Томсона возникли следующие экспериментальные задачи: во-первых, убедиться в том, что существует определенная «естественная единица электричества», носителем которой является электрон, и, во-вторых, если такая единица существует, определить ее физические характеристики, в частности заряд.
Этап второй. 1897 год. Дж. Таундсенд.
Таундсенд, ученик Томсона, работавший в его лаборатории, был первым, кто привлек каплю к участию в поисках величины заряда. Идея его опыта была по замыслу элементарно проста: в пространство, где имеется насыщенный водяной пар, извне вводится некоторое количество ионов. В опытах Таундсенда ионы выделялись на электроде электролизера, а затем поступали в камеру основной установки. Камера была заполнена паром, в котором после поступления ионов возникло облако капель. Таундсенд предполагал, что каждая капелька сформировалась вокруг одного иона и что все капельки имеют приблизительно одинаковый объем.
Средний объем капли Таундсенд определил по скорости ее свободного падения в воздухе. Эта скорость определяется с помощью формулы Стокса — с ней мы уже знакомились, когда обсуждали падение дождевой капли. Далее он с помощью электрометра определял общий заряд всего объема облака. В отдельном эксперименте о массе этого облака судили по увеличению веса осушающих трубок, через которые пропускалась изучаемая часть облака. Если массу облака разделить на массу одной капли, получится число капель; если общий заряд облака разделить на число капель, получится заряд одного иона. Из проведенных опытов следовало число е= (2,8—3,1) •10-10 электростатических единиц заряда.
Таундсенд проявил много остроумия и мастерства — и все же задал природе вопрос не лучшим образом. В его опытах, а затем и в обработке результатов много не вполне оправданных допущений. Во-первых, нет гарантии, что каждый ион — центр конденсации капли — несет один заряд; во-вторых, можно с уверенностью утверждать, что, вопреки предположению Таундсенда, не все капли в облаке одинакового размера; в-третьих, не исключено, что иные ионы, несущие заряд, не стали центрами образования капель; в-четвертых, Таундсенд не очень тщательно заботился о том, чтобы в пространстве, где изучалось падение капель, воздух был абсолютно неподвижен. Если во время опыта воздух хоть немного переместится, данные о скорости падения будут искажены, а значит, искажены будут и данные о размере и массе капель. Поэтому к величине заряда, найденной Таундсендом, надо относиться как к оценке. Оценку такой точности можно получить и на основании различных косвенных соображений и обработки результатов, полученных в опытах по прохождению тока в гальванической ванне.
Если задаться вопросом, в чем же в таком случае заслуга Таундсенда, которому не удалось пойти вперед по сравнению с гальваническими опытами, и почему его деятельность выделена в отдельный этап, ответить следовало бы так: в том, что он обратился к капле. Он понял, что макроскопическая капля — ведь даже если ее диаметр всего один микрон, она макроскопическая по сравнению с электроном — может помочь в поисках истины.
Этап третий. 1897 год. Дж. Дж. Томсон.
Томсон немного усовершенствовал приемы Таундсенда, сохранив основную идею эксперимента практически неизменной. Ионы он получал не в электролизере, а с помощью непрерывно работающей рентгеновской трубки. В те дни только-только стало известно, что рентгеновские лучи способны ионизировать воздух, и Томсон воспользовался новинкой. И еще одну совершенно «свежую» новинку применил Томсон. Незадолго перед его опытами стали известны результаты одного из его сотрудников — Ч. Т. Р. Вильсона, который показал, что внезапное расширение воздуха, содержащего влагу, приводит к образованию капель на ионах. Именно так Томсон и создавал капли. Он поставил эксперимент на более современном уровне, чем( Таундсенд, но, к сожалению, не улучшил, а, быть может, ухудшил условия его эксперимента, добавив пятый источник сомнений: так как капли возникали вследствие резкого охлаждения воздуха, есть основания подозревать, что за время, пока их температура уравнивается с температурой среды, они могут частично испаряться.