Атомы и электроны

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 оживлённые 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 решётку (стеклянную пластинку, на которой очень густо нанесены параллельные и равноотстоящие друг от друга царапины), то свет, отражаясь от такой „решётки“, 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 решётку, которая дала бы возможность хорошенько изучить их свойства, измерить их длину волны и т. д. Но только такая дифракционная решётка должна быть покрыта царапинами гораздо более густо, чем обыкновенная решётка для видимых лучей, — во столько раз гуще, во сколько раз длина волны рентгеновских лучей меньше, чем видимых лучей.

Боюсь, что никакой мастер не возьмётся приготовить такую решётку. Но, к счастью, такие дифракционные решётки 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 — всё это наводит на мысль о том, что в них атомы расположены правильными рядами, совсем как штрихи в дифракционной решётке».

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, пришёл к Книппингу на помощь и поставил пластинку так, чтобы рентгеновские лучи могли падать на неё, пройдя через кристалл насквозь. Результат получился удивительный: вокруг центрального пятна, которое на фотопластинке сделали лучи, прошедшие кристалл насквозь, расположились в правильном порядке чёрные 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 решётку». 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.

Рис. 5. Рентгенограмма Лауэ.

Явление, открытое Лауэ, Фридрихом и Книппингом, позволяет убить сразу двух зайцев:

1) исследовать внутреннюю структуру кристаллов, т. е. определить весь строй кристаллической решётки, в которой располагаются атомы, твёрдого 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.

Рис. 6. Расположение атомов в кристалле поваренной соли.

На рис. 6 представлено пространственное расположение атомов в кристалле поваренной соли. Тёмные и белые шарики изображают атомы натрия и атомы хлора. И те и другие атомы образуют кубическую решётку; обе решётки 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 путём, и только рентгеновские лучи дают возможность их исследовать.

Приведём также несколько числовых данных, относящихся к длине волны рентгеновских лучей. Методы рентгеновской спектроскопии позволяют измерять длину волны лучей примерно в промежутке от 0,1 Å до 15 Å. (Значком Å обозначается единица длины — ангстрем. Один ангстрем равен 10−8 см.) Точность, с которой можно измерить длину волны характеристических рентгеновских лучей (см. ниже), совершенно потрясает: после работ шведского учёного Зигбана она достигла одной стотысячной доли ангстрема, т. е. 10−13 см.

Рис. 7. Рентгеновский спектрограф.

Длина волны рентгеновских лучей раз в тысячу меньше, чем длина волны лучей видимых: так, например, кальций имеет в видимом спектре линию с длиной волны 3933,83 Å, а длина волны его наиболее жёсткой характеристической рентгеновской линии (см. ниже) равна 3,36169 Å. Из этих чисел видно, насколько широк тот спектр частот электромагнитных колебаний, с которым приходится иметь дело физику: начиная с волн длиною в несколько километров, улавливаемых радиоприёмником, он простирается до рентгеновских лучей с длиной волны в несколько стомиллионных долей сантиметра. В дальнейшем мы увидим, что существуют волны ещё более короткие.

За блестящим открытием Лауэ последовали работы английских физиков У. Г. Брэгга и У. Л. Брэгга (отца и сына), которые придумали способ фотографировать спектры рентгеновских лучей. Построенный ими рентгеновский спектрограф (рис. 7) имеет следующее устройство. Лучи рентгеновской трубки, выделенные в узкий пучок, падают на кристалл и затем, отражаясь от него, на фотографическую плёнку. Кристалл может вращаться, причём с поворотом его меняется, конечно, и угол, под которым рентгеновские лучи падают на грань, параллельную оси вращения кристалла. Поэтому при поворачивании кристалла процессу отражения подвергаются всё новые и новые волны, в результате чего на фотографической плёнке разворачивается спектр рентгеновских лучей. Исследование по методу Брэггов спектра рентгеновских лучей, получаемых от обыкновенной рентгеновской трубки, показывает, что кроме непрерывного фона, т. е. лучей с самыми разнообразными и непрерывно меняющимися длинами волн, в спектре присутствуют ещё отдельные резкие линии, выделяющиеся на этом непрерывном фоне. Положение этих линий зависит от того вещества, из которого состоит поверхность антикатода; совокупность этих линий называется характеристическим спектром того химического элемента, которому принадлежат эти «характеристические» рентгеновские линии.