Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы - Марк Перельман

Проверить это предположение Лауэ уговорил Вальтера Фридриха (1883–1968) и Пауля Книппинга (1883–1935). Для эксперимента был взят кристалл медного купороса: пластинки расположили со всех сторон вокруг кристалла, и один из снимков сразу же показал именно такую картину. (Опыт этот ставился тайно, так как Зоммерфельд запретил им тратить время на всякие глупости: он считал, что тепловые колебания атомов в решетке снижают их регулярность.)

В ходе исследований и при их обсуждениях с участием Эвальда выяснилось, что рентгеновские лучи, направленные на кристаллическую структуру, частично отклоняются под воздействием атомных электронов. Каждый из вторичных отклоненных пучков отходит под определенным углом и имеет определенную интенсивность. На выходе все они в комплексе образуют рисунок, характер которого зависит от позиции атомов в кристалле. Смысл изучения именно кристаллов — структур, состоящих из одинаковых элементов (элементарных ячеек) — очевиден. Множество упорядоченных в трех измерениях отдельных атомов дает множество одинаково направленных отклоненных пучков, что в итоге значительно увеличивает четкость дифракционной картины по сравнению с плоской решеткой.

Лауэ смог быстро построить математическую теорию, которая установила соответствие между экспериментально наблюдаемыми лауэграммами, с одной стороны, и реальными положениями атомов в кристаллах и длиной волны рентгеновского излучения, с другой. Тем самым была открыта очень перспективная область исследования (рентгеновская кристаллография), в которой рентгеновское излучение используется для определения структуры кристаллов, а в кристаллах известной структуры — для определения длин волн рентгеновского излучения. Анализ рентгеновского излучения, испускаемого атомами (рентгеновская спектроскопия), оказался весьма важным для понимания структуры атома. (До этих экспериментов немало исследователей пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, но наблюдали они лишь те, которые проходили прямо и не обращали внимания на слабые интенсивности излучения, отклоненного под углом.)

Макс фон Лауэ продолжал плодотворно работать до конца своей жизни, он был одним из немногих ученых Германии, кто всегда и открыто выступал против фашизма. Но если сейчас поинтересоваться в Интернете его именем, то окажется, что более всего цитируется его афоризм, ставший расхожей фразой: «Образование — это то, что остается, когда все выученное забыто».

«За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах» Макс фон Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике 1914 г. Эйнштейн, с его еще юношеской увлеченностью геометрией, называл открытие Лауэ «одним из наиболее красивых в физике» — фактически оно стало триумфом применения математики к физике: оправдались полностью абстрактные, казалось, рассуждения о симметриях и их роли во взаимодействиях атомов.

Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества они могут быть разбиты на группы, так что все частицы из одной группы проходят одинаковое расстояние до поглощения, а это означало, что альфа-частицы испускаются только с определенными начальными скоростями.

Отсюда следовало, что каждое промежуточное дочернее ядро при последовательном каскаде распадов испускает альфа-частицу с определенной скоростью. Следовательно, по пройденному частицей расстоянию можно определить тип ядра, испустившего эту частицу. Это открытие принесло Брэггу международную известность, и в 1909 г. он возвратился в Англию. Здесь в течение нескольких следующих лет он проводит интенсивные исследования свойств рентгеновских и гамма-лучей, считая, что они больше похожи на поток частиц, чем на волны. Эту точку зрения, казалось, подкрепляло то, что в 1908 г., облучая рентгеновскими лучами вещества, он наблюдал возникновение потока электронов и немало современников ученого встали на его позицию.

Ее ошибочность обнаружилась четыре года спустя, после открытия фон Лауэ.

Разумеется, У. Г. Брэгг испытал чувство досады: его «корпускулярные» представления оказались несостоятельными. Тем не менее он решил повторить и продолжить исследования немецкого коллеги. Его помощником стал сын, Уильям Лоренс Брэгг (1890–1971), недавно окончивший Кембриджский университет у Дж. Дж. Томсона. Обсудив дифракцию рентгеновских лучей со своим отцом, Брэгг-младший пришел к убеждению, что волновая интерпретация Лауэ верна, но что описание деталей дифракции Лауэ неоправданно усложнил. Атомы в кристаллах располагаются в плоскостях (этого Лауэ не учел), и У. Л. Брэгг предположил, что дифракционная картина вызывается расположением этих атомных плоскостей в конкретной разновидности кристаллов. Если это так, то рентгеновскую дифракцию можно было использовать для более точного определения структуры кристаллов. В 1913 г. он опубликовал уравнение, позже названное законом Брэгга, описывающее углы, под которыми следует направить пучок рентгеновских лучей, чтобы определить строение кристалла по дифракционной картине рентгеновских лучей, отраженных от кристаллических плоскостей. Затем он использовал свое уравнение для анализа различных кристаллов.

Распространенное мнение о том, что крупные открытия делаются лишь в молодости, не имеет серьезного обоснования. Как любил повторять известный физик Г. И. Будкер: «Ученые делятся не на старых и молодых, а на умных и глупых».

В том же году его отец изобрел рентгеновский спектрометр, позволяющий анализировать сложные кристаллы. Первым веществом, которое Брэгги исследовали, была поваренная соль. И на этом простейшем кристалле они совершили замечательное открытие.

К тому времени считалось, что химические соединения образованы молекулами: так, хлористый натрий (обычная соль) состоит из молекул, каждая из которых содержит атом натрия и атом хлора. Но исследования Брэггов показали, что кристаллы хлористого натрия состоят не из молекул, а из определенным образом расположенных ионов натрия и ионов хлора: в кристалле нет молекул хлористого натрия. Тем самым было установлено различие между молекулярными соединениями (кристаллы которых состоят из молекул) и ионными (кристаллы которых состоят из определенным образом расположенных ионов), что имело огромное значение и позволило ученым гораздо глубже понять строение кристаллов, а потом и поведение растворов. Работая совместно, отец в основном как экспериментатор, сын — как теоретик, Брэгги свели к 1914 г. рентгеновский анализ простых материалов к стандартной процедуре.

Экспериментируя с кристаллами различных веществ, отец и сын производили тщательный математический анализ получавшихся дифракционных картин. Подобные «обсчеты» позволили им в итоге вывести нехитрую формулу, пригодную для расчетов, и заложить основы современной рентгеновской кристаллографии. (Отметим, что аналогичную формулу несколько раньше вывел московский физик Юрий Викторович Вульф (1863–1925).) Анализ рентгеновских дифракционных картин служит мощным инструментом для минералогов, металлургов, керамистов и других исследователей, имеющих дело с атомной структурой материалов. Этот метод позволил также ученым определить строение очень сложных молекул, что вызвало к жизни целую область молекулярной биологии.

В 1915 г. отец и сын Брэгги были награждены Нобелевской премией «за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей».

* * *

Петер Дебай (1884–1966) был очень разносторонним физиком и физико-химиком, но нас здесь интересуют его исследования распределения электрических зарядов в атомах и молекулах. Дебай показал, что основную роль во взаимном расположении атомов в молекулах играет их полярность, ориентация положительных и отрицательных зарядов: знание степени полярности (дипольного момента молекулы и составляющих ее атомов) позволяет рассчитать относительное расположение химически соединенных атомов. А дифракция рентгеновских лучей позволяет, как он показал, проводить измерения межатомных расстояний в газах и тем самым проверять теоретические построения.

Далее Дебай продемонстрировал взаимосвязь между дифрагированными пучками и тепловым движением атомов в кристаллах — таким образом, этот анализ позволял не только устанавливать структуры кристаллов, но и рассматривать некоторые протекающие в них процессы. При этом он понял, работая в 1916 г. с Паулем Шеррером, что даже в порошке имеется достаточное количество мельчайших или неидеальных кристаллов, так что дифракция рентгеновских лучей может охарактеризовать их молекулярную структуру.

До того наибольшей сложностью анализа была необходимость получения совершенных кристаллов — задача далеко не всегда выполнимая. Совместно с Шеррером он и разработал метод исследования структуры порошков с помощью дифракции рентгеновских лучей (метод Дебая-Шеррера или метод дебаеграмм).