О чем рассказывает свет

Представим себе, что А₁, А₂, А₃ и т. д. на рис. 30 обозначают уже не щели, а узкие зеркальные полоски; а идущие от решетки лучи 1,2, 3 и т. д. — отраженные лучи. Следовательно, падающие на решетку лучи шли до точек А₁, А₂ и т. д. не слева (как было, когда А₁, А₂ и т. д. были щелями), а справа и, упав на зеркальные полоски А₁, А₂ и т. д., отразились от них. Только в этом ходе лучей до точек А₁, А₂ и т. д. вся и разница. Наложение же отраженных лучей 1, 2, 3 и т. д. совершенно аналогично наложению лучей, прошедших сквозь щели. Все рассуждения, которые мы привели раньше, сохраняются в силе.

Таким образом, от отражательных решеток также можно получить дифракционные спектры. Но в чем различие? Различие в том, что при этом лучи уже не проходят сквозь материал, из которого изготовлена решетка, а отражаются от него. Для отражательной дифракционной решетки непрозрачность материала не играет роли. А это уже существенный выигрыш.

Новый метод получения спектров расширяет возможности анализа излучений. В этом случае дифракционные спектры можно получить не только для видимого света, но и для других излучений, в том числе и для ультрафиолетовых.

Поиски решетки для рентгеновских излучений

Однако в работе с дифракционными решетками встретились свои трудности.

Дело в том, что однотипной решетки для всех излучений подобрать нельзя. Для различных излучений нужны различные решетки. Ширина светлых штрихов решетки должна быть сравнима с длиной волны исследуемых излучений. Если она будет, скажем, в сотни и тысячи раз больше или меньше длины исследуемых волн, спектральной полосы на экране не получится. А ведь в видимом свете мы имеем дело с длинами волн в диапазоне 4—8 тысяч ангстрем или четыре — восемь стотысячных долей сантиметра. Такую малую величину невозможно себе и представить.

И все же когда человеку понадобилось технически выделить, отмерить такую величину в дифракционной решетке, он этого достиг. В современных дифракционных решетках с помощью специальной делительной машины наносится 1000—1500 штрихов на миллиметр; общая сумма светлых и темных полос достигает, следовательно, 2000—3000 на миллиметр. Нетрудно рассчитать, что ширина светлого штриха равна примерно 4000— 5000 ангстрем, т. е. того же порядка, как и длина волны видимого света!

Такая решетка будет подходящей для видимого света и ультрафиолетовых излучений. Но она не даст спектральных полос рентгеновских излучений. Для последних ее светлые штрихи слишком широки. Ширину их надо бы уменьшить в тысячи раз. Это значит, что на одном миллиметре пришлось бы нанести миллионы штрихов. Но тогда пришлось бы «штриховать» каждый атом. Но как это можно сделать? И вообще какой это имеет смысл?

Более пятнадцати лет для рентгеновского излучения не находили подходящей решетки. Никто поэтому не знал, проявляет ли оно волновые свойства. Шли даже споры о том, какова его природа. Одни говорили, что рентгеновское излучение — это волны, и для него все же можно найти подходящую решетку. Другие же утверждали, что это поток мельчайших частиц и не нужно пытаться определять длину несуществующей волны. В то время одни рентгеновские излучения от других отличали не по длине волны, а по тому, как глубоко они проникают в различные вещества. Те излучения, которые проникали глубже, называли «жесткими», а те, которые проникали не так глубоко, — «мягкими». Ясно, что эта характеристика была не очень точной.

Нашлась решетка и для рентгеновских излучений

Но нашлась дифракционная решетка и для рентгеновских излучений. Сама природа пришла здесь на помощь.

В конце XIX и начале XX века физики усиленно изучали строение твердых тел. Известно, что многие твердые тела являются кристаллами. Атомы в кристаллах расположены строго правильными рядами. Они составляют как бы естественные решетки. На рис. 31 изображена часть кристаллической" решетки поваренной соли.

Рис. 31. Так располагаются атомы в кристалле поваренной соли. Белыми шариками обозначены атомы натрия, черными — атомы хлора. Расстояния между слоями атомов около трех ангстрем

Русский ученый Е. С. Федоров еще в 1891 году опубликовал исследование «Симметрия правильных систем фигур», в котором теоретически рассчитал, какие кристаллические формы могут встретиться в природе. Он нашел 230 возможных форм. Почти три четверти века прошло с тех пор. Наука подтвердила все вычисления ученого, и новых форм кристаллов действительно найдено не было.

Зная формы кристаллов, физики вычислили, каковы расстояния между слоями атомов в кристаллических решетках. Оказалось, что эти расстояния равны примерно одному ангстрему. Эта величина сравнима с размерами атома. Такую частую штриховку нельзя нанести никакой делительной машиной.