Занимательная квантовая физика

Наиболее полное подтверждение эта догадка получила в замечательном явлении, которое было открыто в 1912 году. История этого открытия такова. Мюнхенские физики, группировавшиеся вокруг Рентгена, имели обыкновение собираться в свободное время в одном кафе, где между ними происходили оживленные научные споры. Однажды, во время такого спора, один из этих физиков — Лауэ — высказал следующую мысль: «Всем известно, — сказал Лауэ, — что обыкновенные лучи видимого света обладают тем свойством, что если взять дифракционную решетку (стеклянную пластинку, на которой очень густо нанесены параллельные и равноотстоящие друг от друга царапины), то свет, отражаясь от такой „решетки“, будет не по всем направлениям одинаково ярок: в одних направлениях световые волны будут усиливать друг друга, а в других направлениях они будут друг другу мешать, так что в результате там никакого света не будет. Если рентгеновские лучи похожи на видимый свет, но только имеют гораздо меньшую длину волны, то и для них следовало бы приготовить такую же дифракционную решетку, которая дала бы возможность хорошенько изучить их свойства, измерить их длину волны и т. д. Но только такая дифракционная решетка должна быть покрыта царапинами гораздо более густо, чем обыкновенная решетка для видимых лучей, — во столько раз гуще, во сколько раз длина волны рентгеновских лучей меньше, чем видимых лучей.

Боюсь, что никакой мастер не возьмется приготовить такую решетку. Но, к счастью, такие дифракционные решетки для рентгеновских лучей уже существуют в природе, и их можно сразу получить в готовом виде. Я имею в виду кристаллы. Их блестящие грани, их правильные геометрические очертания — все это наводит на мысль о том, что в них атомы расположены правильными рядами, совсем как штрихи в дифракционной решетке».

Рентгенограмма Лауэ

Когда присутствующее выслушали эту речь Лауэ, они решили произвести на другой же день опыт — посмотреть, что делается с рентгеновскими лучами после прохождения их через кристалл поваренной соли или какое-нибудь другое кристаллическое вещество. За такой опыт взялся молодой физик П. Книппинг.

На другой же день он приступил к работе, но, к несчастью, он расположил фотографическую пластинку не так, как следовало, и после нескольких часов экспозиции он ничего на ней не получил (ему хотелось заставить рентгеновские лучи отразиться от кристалла и свернуть под прямым углом, но этого они на самом деле не делают). Тогда другой физик — В. Фридрих, — работавший в соседней комнате, пришел к Книппингу на помощь и поставил пластинку так, чтобы рентгеновские лучи могли падать на нее, пройдя через кристалл насквозь. Результат получился удивительный: вокруг центрального пятна, которое на фотопластинке сделали лучи, прошедшие кристалл насквозь, расположились в правильном порядке черные пятнышки. Пятнышки эти были следами от рентгеновских лучей, отразившихся от внутренних граней кристалла, т. е. от параллельных рядов его атомов. Картина, получившаяся на фотографической пластинке, служила блестящим подтверждением как той мысли, что рентгеновские лучи имеют длину волны, во много раз меньшую, чем видимые лучи, так и той мысли, что в кристаллах атомы располагаются идеальными правильными рядами, образуя, как говорят, «кристаллическую решетку». Поэтому можно считать, что такие фотографические снимки («рентгенограммы Лауэ») заодно являются убедительным доказательством также и того факта, что атомы действительно существуют, а не являются измышлением «невежественных аптекарей», как говорил Шопенгауэр.

Явление, открытое Лауэ, Фридрихом и Книппингом, позволяет убить сразу двух зайцев: 1) исследовать внутреннюю структуру кристаллов, т. е. определить весь строй кристаллической решетки, в которой располагаются атомы твердого тела; 2) измерить длину волны рентгеновских лучей. Над обеими задачами работали многие физики, и в настоящее время мы знаем расположение атомов в ряде кристаллов так же хорошо, как если бы мы видели эти атомы собственными глазами. Измерение же длины волны рентгеновских лучей достигло совершенно исключительной точности. Ограничимся немногими примерами. На рисунке представлено пространственное расположение атомов в кристалле поваренной соли. Темные и белые шарики изображают атомы натрия и атомы хлора. И те и другие атомы образуют кубическую решетку; обе решетки как бы вдвинуты друг в друга. При этом отмеченная на рисунке длина равна 2,814 × 10^-8 см. Ни один атом натрия не связан с каким-нибудь одним атомом хлора в молекулу, изолированную от всех остальных частиц; поэтому уместно сказать, что весь кристалл поваренной соли представляет одну гигантскую молекулу. Такие же сведения были добыты и о громадном количестве других кристаллических тел. Заметим также, что многие тела, которые до тех пор считались аморфными (не кристаллическими), оказались «микрокристаллическими»: их кристаллы слишком малы, чтобы быть обнаруженными каким-нибудь иным путем, и только рентгеновские лучи дают возможность их исследовать.

Расположение атомов в кристалле поваренной соли.