НЕВЕРОЯТНО - НЕ ФАКТ

МОЖНО ЛИ ИЗМЕРЯТЬ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ АТОМАМИ!

Мне придется еще раз отклониться от главной темы книги и напомнить читателю, что такое дифракция и как физики измеряют длину волны.

Пусть какое-то неизвестное излучение падает на не­кий «частокол», представляющий собой правильное че­редование щелей и непрозрачных участков. Просочив­шись сквозь щели, оно продолжает свой путь дальше.

В зависимости от того, что были за лучи и что пред­ставлял собой забор, возможны такие варианты поведе­ния: лучи идут прямо; лучи отклоняются во все сто­роны; лучи отклоняются только в некоторых строго определенных направлениях. В первом случае говорят, что лучи не рассеиваются «частоколом», во втором — что они рассеиваются; в третьем — что имеет место яв­ление дифракции.

Если на пути лучей, прошедших сквозь такую пре-’ граду, поставить фотографическую пластинку, то после проявления ее в первом случае мы увидим только сле­ды неотклоненного луча; во втором — обнаружится размытый след; а в третьем, самом интересном случае, рядом со следом прямого луча мы должны обнаружить на фотопластинке отдельные резкие следы отклоненных лучей. Это и есть дифракционная картина.

Если явление дифракции неизвестного излучения бу­дет обнаружено, то этим будет доказана его волновая природа. Из данных опыта несложными рассуждениями, к которым мы сейчас перейдем, можно вычислить длину волны излучения.

Знакомство с дифракцией видимого света происхо­дит в школе. Там* вам, читатель, показывали маленькое стеклышко, в центре которого матовое прямоугольное пятно. Это и есть дифракционная решетка. На стеклыш-' ке нанесено множество параллельных штрихов. Расстоя­ния между штрихами (прозрачная часть) совсем ма­лые — доли микрона. Сами штрихи — непрозрачная часть.

Направим на решетку параллельный пучок лучей света и посмотрим, что произойдет.

На экране, установленном на пути прошедшего че - оез решетку луча, возникает красивая цветная картина. Ярче всего виден, разумеется, след неотклоненного луча,

а по бокам от него возникают радужные полосы. Их не­сколько. Та полоса, что ближе всего к неотклоненному лучу, называется спектром первого порядка.

А теперь поставим на пути первичного луча цветной фильтр. Картина теряет в красоте, но выигрывает в яс­ности: на экране видны след неотклоненного луча и чет­кие следы отклоненных одноцветных лучей, которые рас­положились симметрично — вправо и влево от прямого направления на одинаковые углы.

Угол отклонения первого из дифрагированных лу­чей несет в себе информацию о длине волны света. Зная расстояние от решетки до экрана и измерив, на сколь­ко сантиметров пятно отклоненного луча отстоит от центрального, мы без труда по формуле тангенса вычис­лим значение этого угла.

А как, зная измеренный угол, вычислить длину вол­ны света? На этот вопрос отвечает приведенная здесь простенькая схема. Отклоненные лучи возникают лишь в тех направлениях, где волны, выходящие из разных щелей, распространяются в одной фазе. То есть горбы всех одиночных волн должны образовать плоский фронт. Первый отклоненный луч возникнет тогда, когда волны, исходящие из каждой щели, будут отставать от сосе­док на одну свою длину.

Из схемы ясно, что три величины жестко связаны между собой: расстояние между щелями, длина волны и угол отклонения. У меня был соблазн написать про­стое тригонометрическое уравнение, которое связывает эти три величины, но я воздержался. Главное, чтобы читателю было понятно следующее: из непосредственно измеряемых величин (расстояние между щелями и угол отклонения) может быть вычислена длина волны излу­чения.

Нетрудно сообразить (для этого надо лишь внима­тельно посмотреть на рисунок), что отклонение будет тем меньше, чем меньше отношение длины волны к рас­стоянию между целями.

Значит, результат дифракционного эксперимента — его удача или провал — зависят от соотношения между длиной волны и расстоянием между щелями. Если рас­стояние между щелями «частокола» много больше дли­ны волны, то мы не заметим дифракции: все отклонен­ные лучи ничтожно мало отойдут от прямого пути. Напротив, если расстояние между щелями значительно меньше длины волны, то обнаружится рассеяние, но ди­фракции опять не будет, хотя уже по другой причине. В первом случае распространение излучения происходит так, словно «частокол» и не стоит на дороге луча, а во втором — решетка щелей равноценна одной щели.

Как видим, опыт удается лишь в том случае, когда длина волны и расстояния между щелями решетки близки друг к другу. А что значит «близки»? Это когда длина волны раз в десять меньше расстояния между щелями, и лишь тогда дифракционный опыт удается.

Как мы уже говорили, Рентген не обнаружил диф­ракции икс-лучей. Открытие дифракции рентгеновских

лучей — важнейшее событие в истории науки, положив­шее начало проникновению исследователей в атомное строение вещества, — было сделано в Мюнхене, куда профессор переехал вскоре после обнаружения самих лучей (а оно было сделано в Вюрцбурге).

История обнаружения дифракции также весьма по­учительна для демонстрации того, как иногда случай­ность совершается с железной необходимостью. Откры­тие состоялось в результате совпадения нескольких независимых событий. Место и время этого совпадения никак нельзя назвать случайным. Было естественным, что именно в Мюнхене, где кафедра физики возглавля­лась Рентгеном, внимание физиков к проблемам рент­геновских лучей было пристальным. Понятно, что здесь был накоплен большой опыт, а потому именно в этом университете были лучшие по тому времени йсточники рентгеновских лучей.

Рентген стремился всем своим влиянием и высоким положением содействовать повышению уровня препода­вания и исследований, проводившихся на кафедре фи­зики Мюнхенского университета. Он привлекал для работы лучших ученых. Будучи сам экспериментатором и придавая весьма большое значение высокому уровню теоретической физики, он всячески проповедовал един­ство этих двух взаимно обогащающих подходов к изу­чению физических явлений. И не только проповедовал, но и настоял, чтобы ведущий физик-теоретик Арнольд Зоммерфельд занял кафедру теоретической физики. Большие надежды возлагал он и на молодого теоретика Макса Лауэ. Научные интересы этих и многих других ученых были в той или иной степени прикованы к проб­леме рентгеновских лучей.

К физикам тянулись и кристаллографы, среди кото­рых видным исследователем был Грот, аккуратный со­биратель материалов о формах различных природных и синтетических кристаллов.

И уж совсем, казалось бы, не имел отношения к на­учным открытиям тот факт, что была в Мюнхене пив­ная Хофгартен, где почти все ученые систематически встречались и вели свои многочисленные беседы.

Можно ли считать случайным разговор, возникший о природе рентгеновских лучей между лицами, которых мы сейчас перечислили? Конечно, нет. Рассуждения Зоммерфельда об злектромаї нитном происхождении рентгеновских лучей; идеи Грота о том, что кристаллы должны иметь периодическое строение из составляю­щих их частиц; блестящая работа по теории взаимо­действия электромагнитных волн с кристаллом, сделанная молодым теоретиком Эвальдом, явились тем фоном, на котором предложение Лауэ поставить на пу­ти рентгеновских лучей кристалл и попытаться обнару­жить дифракцию совсем не кажется случайным.

Все собеседники, присутствовавшие при этом исто­рическом событии, соглашались с тем, что атомы в кри­сталле расположены на расстояниях, соизмеримых с дли­ной волны рентгеновских лучей, если только понятие «волна» к этим лучам применимо. Однако сомнение вы­зывало то обстоятельство, что кристалл — это не «частокол», не линейная решетка щелей, а если и ре­шетка, то трехмерная. И большинство полагало, что четкой картины, возможно, и не будет. Лишь Макс Лауэ утверждал, что картина обязательно возникнет и, как рассказывает А. Ф. Иоффе, поспорил с остальными на коробку шоколада.

Лауэ поручил провести эксперимент своему асси­стенту Фридриху. Неясно было, где ставить фото­пластинку, поскольку никто не знал, как должна проис­ходить дифракция от пространственной решетки, по­строенной из атомов. Решили поместить ее под углом девяносто градусов к падающему лучу.

Рентгеновскую трубку включали каждый день на много часов, проявляли одну пластинку за другой, про­бовали менять положение пластинки, действуя пример­но так, как мартышка с очками. Не получалось. Надо заметить, что третьим действующим лицом в этом ансамбле был некто Книппинг. В его обязанности вхо­дила работа по перемещению пластинок в новую пози­цию. Видимо, именно он явился орудием «его вели­чества случая», ускорившим развязку пьесы. Небрежно выполняя указания руководителя эксперимента, Книп­пинг поставил пластинку не на указанном месте, а за кристаллом, на пути проходящего луча. К концу фото­графирования пришел Фридрих и обнаружил, что его распоряжение нарушено и, досадуя, велел пластинку выбросить и поставить новый опыт. Но вмешался опять «его величество случаи» и, дернув кого-то из двоих за рукав, заставил проявить пластинку.

Так было сделано открытие.

Покажется, что случай сыграл здесь решающую роль. А по-моему, совершенно пустяковую. Рано или поздно даже бездумное перемещение фотопластинки увенча­лось бы успехом. Но если бы этого и не случилось, то Лауэ, начавший разрабатывать математическую тео­рию явления, без сомнения, вывел бы условия дифрак­ции, которые показали бы, где надо ставить пластинку, чтобы обнаружить эффект.

Наконец, если бы Лауэ заболел, а Книппинг был бы вполне аккуратным исполнителем, а Фридрих не до­пускал бы возможности другого подходящего места для пластинки, кроме как под прямым углом к лучу, то все это свелось бы к тому, что через полгода или год открытие дифракции было бы сделано в Англии отцом и сыном Брэггами. Брэгг-отец в то время придумывал самые разные подходы для исследования характера рассеивания рентгеновских лучей разными объектами и был также близок к обнаружению законов отклонения рентгеновских лучей.

Явление, о котором идет речь, оказалось в 1912 году яблоком, вполне созревшим. Легкого дуновения ветра было достаточно, чтобы оно упало, и тайное сделалось явным. Пришла пора этому открытию, весь комплекс случайностей был существенным лишь для самого не­существенного: месяцем раньше или месяцем позже; в Англии или в Германии; Лауэ или Брэгг. Разве это важно?

Два крупнейших научных открытия — открытие рентгеновских лучей и наблюдение дифракции этих лу­чей превосходно, как мне кажется, иллюстрируют эфи - мерную роль случайности в событиях такого рода.

Но число подобных примеров можно было бы умно­жить.

Делать этого мы, однако, не станем, а скажем лишь, что остановились ?лы на рентгеновских лучах не случай­но, так как без знакомства с их дифракцией мы не до­беремся до структуры гена.