Занимательная квантовая физика - Матвей Бронштейн

Очень скоро Рентген обнаружил, что источником новых лучей может служить не только стекло разрядной трубки, но и всякое другое твердое тело, на которое падают достаточно быстрые электроны. Так как интенсивные и быстрые катодные лучи сильно разогревают всякое тело, на которое они падают, то лучше всего взять толстую металлическую пластинку из тугоплавкого металла, например вольфрама, и направить пучок катодных лучей на нее. Так возникла обычная форма «рентгеновской трубки», где против катода действительно располагается такая металлическая пластинка (антикатод), которая и служит источником рентгеновских лучей. (Заметим, что такой металлический антикатод вовсе не флюоресцирует, так что упомянутая в первой главе гипотеза Беккереля о том, что испускание рентгеновских лучей связано с флюоресценцией, не имеет под собой никакой почвы.) На антикатод может быть нанесен слой какого-либо иного вещества. Это важно потому, что, как мы увидим дальше, рентгеновские лучи, испускаемые различными веществами, различны по своим свойствам.

Наиболее замечательные особенности рентгеновских лучей (если не считать их удивительной проникающей способности) заключаются в следующем. Они не отклоняются ни в электрическом, ни в магнитном полях, откуда следует, что, в отличие от катодных лучей, они не несут на себе никакого электрического заряда. Падая на способный флюоресцировать экран, они заставляют его светиться. Фотографическую пластинку они чернят совершенно таким же образом, как это делают и видимые лучи света. Проходя через воздух, они делают воздух проводником электричества, так что заряженный электрометр, находящийся в таком воздухе, быстро разряжается (его заряд утекает через воздух) и его листочки спадают. (Таким же свойством, как мы знаем, обладают лучи Беккереля.) Каков может быть физический смысл этого замечательного свойства рентгеновских лучей? Для того чтобы воздух стал проводником электричества, необходимо, чтобы в нем появились какие-то носители электрического заряда, способные передвигаться в электрическом поле. Отсюда следует, что рентгеновские лучи, проходя через воздух или через какой-нибудь другой газ, ионизуют этот газ, т. е. превращают часть его молекул в ионы, отрывая от них электроны. После этого в газе появляются положительные ионы наряду с оторвавшимися отрицательными электронами. Любое заряженное тело, находящееся в таком ионизованном воздухе, начнет разряжаться, потому что оно оттолкнет от себя те заряженные частицы, которые имеют заряд такого же знака, как и это тело, и притянет к себе частицы, заряженные электричеством противоположного знака; притянувшись к нему, эти частицы нейтрализуют (уравновесят, уничтожат) его заряд. Ясно, что чем интенсивнее рентгеновские лучи, тем сильнее вызванная ими ионизация воздуха и, следовательно, тем быстрее разряжаются в этом воздухе наэлектризованные тела.

Долгое время физики спорили о том, что же представляют собой эти таинственные лучи Рентгена. В конце концов они пришли к заключению, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны такого же рода, как лучи видимого света, с той лишь разницей, что они обладают во много раз меньшей длиной волны.

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.