В 1874 г. в Шеффилдском университете Крукс выступил с докладом на тему «Лучистая материя, или Четвёртое состояние вещества». Он продемонстрировал слушателям свечение в газоразрядной трубке, чем, надо сказать прямо, сначала разочаровал аудиторию, ибо всё это было ей уже известно. Однако со стороны Крукса такое начало было лишь подготовительной операцией к эффекту. Он по ходу опыта откачал воздух в трубке до одной тысячной атмосферного давления, усилил напряжение — и всё пространство ярко осветилось. Исследователь этим не ограничился: насос продолжал работать, откачивая остатки воздуха из трубки. И вдруг огненный столб погас, и лишь на стекле против катода осталось зеленоватое мерцающее пятно. Слушатели снова не были удовлетворены, ибо фосфоресценцию стекла при демонстрации эффекта в катодных трубках они наблюдали и ранее. Крукс это предвидел и, обращаясь к присутствующим, спросил примерно так: вы полагаете, что зеленоватое пятно — всего лишь остаточная фосфоресценция стекла? Никакого иного ответа, кроме утвердительного да, Крукс не ждал, естественно. И тогда он подключил к источнику тока такую же трубку, но с укреплённым внутри неё крестом, между катодом и противоположной стенкой трубки. Из трубки также откачали воздух, также погасло свечение и также осталось зеленоватое пятно на стекле, но на нём чётко вырисовался силуэт креста. Аудитория ахнула: было яснее ясного, что крест осветили какие-то лучи! Осветили, оставаясь невидимыми и распространяясь, как обычно, прямолинейно.
Успех опыта был потрясающе нагляден. Крукс подробно информировал слушателей о своих работах и высказал предположение лишь в конце своего доклада: от атомов отрываются частицы, они и есть вот эти невидимые лучи (Крукс назвал их катодными лучами). Можно представить, как было воспринято такое объяснение, когда и в химии, и в физике уже господствующим стало представление о неделимости атома. На голову Крукса посыпалось столько обвинений в научной ереси, ехидных замечаний, гневных выкриков, сожалений о том, что признанный учёный прельстился славой магов и впал в шарлатанство, — что всего трудно и перечесть.
Докладчику, столь блестяще продемонстрировавшему эффект креста, не дали даже продолжать объяснение. Полемика из зала, где Крукс продемонстрировал свой «шарлатанский» опыт, выплеснулась на страницы научных журналов.
Дело дошло до того, что Крукса публично обозвали сумасшедшим, и сделал это не кто иной, как знаменитый Г.Герц, блестящий учёный, которому человечество обязано открытием радиоволн.
Не будем упрекать знаменитого учёного за излишнюю горячность и некорректность, едва ли уместную в чисто научных спорах. Мысль, высказанная Круксом, действительно казалась чудовищной многим учёным его времени: можно ли подумать, что атом, неделимый атом, разваливается на части с помощью не таких уж сложных, можно сказать, «подручных» средств! Чем не «философский камень», с помощью которого алхимики и герметические философы мечтали превратить простой металл в золото!
Крукс не сдавался и не успокаивался, продолжал свои работы с разрядными трубками. Он показал, что катодные лучи действуют на фотографическую пластинку, отклоняются магнитом и даже, будучи сфокусированы на тонкую фольгу, могут нагреть её до красного каления. Особенно эффектен был опыт Крукса, показывающий, что катодные лучи могут оказать силовое воздействие. Внутри трубки по строго горизонтальным стеклянным направляющим от катода катилось тщательно сбалансированное миниатюрное колёсико с лопатками.
Почти два десятилетия без малого продолжался научный спор между английскими и немецкими физиками о природе катодных лучей. Читающая публика могла убедиться, что определение учёных как «людей ледяного спокойствия» слишком поспешно и далеко не всегда правильно. Видеманн, Гольдштейн, Герц ставили тончайшие эксперименты и опровергали Крукса, утверждая, что его «лучистая материя» не что иное, как определённый вид электромагнитных колебаний, подобных свету.
Их доказательства не всегда были достаточно убедительны. Так, Герц, чтобы опровергнуть Крукса и доказать световую природу катодных лучей, поставил следующий эксперимент. Он изготовил трубку из уранового стекла, которое может сильно фосфоресцировать, а на пути катодных лучей поместил листочки золотой фольги. Никакой тени в районе фосфоресцирующего пятна не было. Катодные лучи, сделал вывод Герц, свободно прошли через поры в металле, как лучи обычного света сквозь дырявую крышу. Однако этот вывод оказался поспешным. Когда на пути катодных лучей поместили пакет из нескольких листочков фольги, тени всё равно не было. Не в порах, видно, дело: смешно же предполагать, что пресловутые поры так удачно могли совпасть во всех листочках пакета. Тем более, что тень не появилась и тогда, когда использовалась фольга других металлов и сплавов.
В пользу мнения, что катодные лучи — это какие-то частицы, говорил и тот факт, что они имеют отрицательный заряд. Это со всей убедительностью показал французский физик Жан Перрен. В 1881 г. Герман Гельмгольц выступил на заседании лондонского Химического общества и, обращая внимание присутствующих на законы электролиза, открытые Фарадеем без малого полвека назад, выразился следующим образом: «…если принимать гипотезу о том, что простые вещества состоят из атомов, то неизбежно заключение: электрический ток состоит из элементарных вполне определённых частиц, которые можно рассматривать в качестве атомов электричества».
Эти слова, сказанные в другой, более ранний период, вряд ли произвели бы сильное впечатление. Теперь же, после стольких экспериментов с катодными лучами и бурных споров об их природе, к ним отнеслись с огромным вниманием. Теперь учёных уже не так занимала сама природа катодных лучей (к тому, что они — какие-то материальные частицы, склонялись многие), сколько интересовал вопрос, что они собой представляют — молекулы, атомы или что-то ещё?
Через пять лет после этого противник Крукса Гольдштейн, сторонник волновой природы катодных лучей, одержимый мыслью опровергнуть ересь англичанина, поставил опыт.
Он использовал разрядную трубку, не отличающуюся замысловатостью конструкции. В ней катод и анод располагались друг против друга, так что «лучистая материя» направлялась не на стенку трубки, а прямо на анод. Катод был просверлен в нескольких местах и располагался на некотором расстоянии от стенки трубки. Это был удивительный эксперимент — из тех, когда ищут одно, а находят нечто уже совсем неожиданное. Стекло трубки зафосфоресцировало в закатодном пространстве, противоположном тому, по которому распространялись катодные лучи, и только против отверстий в катоде.
Эти лучи — их назвали каналовыми — стали предметом такого же пристального внимания, какого сподобились лучи катодные. Было установлено, в частности, что каналовые лучи отклоняются магнитом, но в сторону, противоположную отклонению катодных лучей. И ещё, при одинаковых разрежениях в трубке катодные лучи в одинаковой степени отклонялись магнитом. Причём на величину отклонения не влиял ни газ, каким заполнялась трубка, ни материал самого катода. А вот каналовые лучи чутко реагировали на природу заполняющего трубку газа: отклонялись они одинаковым магнитным полем в разной степени. Напрашивался вывод, что катодные лучи — поток одинаковых отрицательно заряженных частиц, а каналовые — положительно заряжённых частиц, но различающиеся по величине заряда и массе, к тому же значительно превосходящие в любом случае массу первых.
Образование положительных каналовых, или, как их ещё называли, — анодных, закатодных, лучей можно было объяснить лишь действием катодных на атомы заполняющего трубку газа.
Открытие каналовых лучей родило предположение, что в атоме есть и положительно, и отрицательно заряжённые частицы.
Но не только физические эксперименты с разрядными трубками подрывали классические представления о неделимости атомов и вносили сумятицу в умонастроение учёных. И чисто химические исследования заставили о многом задуматься. Так, шведский учёный Сванте Аррениус, опираясь на работы Я.Г.Вант-Гоффа, В.Оствальда и других исследователей в области электропроводности растворов и осмоса (явления одностороннего проникновения растворителя в раствор через полупроницаемую перегородку), а также на законы электролиза, установленные Фарадеем, выступил с теорией электрической диссоциации. Согласно этой теории молекулы вещества в растворе распадаются на заряжённые частицы — ионы. О том, как эта теория была встречена в научных кругах, лучше всего, пожалуй, говорят такие факты. Непосредственный руководитель Аррениуса профессор Клеве, узнав о новых идеях своего ученика, высказался более чем определённо: «У вас новая теория? Это весьма интересно. Прощайте — мы больше не знакомы». А когда основные положения теории Аррениуса были опубликованы, английский профессор Армстронг сравнил её с давно отжившей теорией флогистона.