Техника - молодёжи 1967-12, страница 20

А. ШИБАНОВ, кандидат физико-математических наук

ЧЕЛОВЕК превратил тени в орудие познания. В электронном микроскопе его взору предстают искусно спроецированные микротени мельчайших частиц вещества. Во время лунных затмений он наблюдает рождение гигантской тени земного шара. Тени невидимых рентгеновских лучей очерчивают на флуоресцирующем экране строение непрозрачных предметов. И даже звуковые тени нащупывают в сплошной толще материалов скрытые от глаз дефекты. Теперь тени пришли на помощь и физикам-структурщикам. Недавно советские ученые впервые в мире получили теневую фотографию кристаллической решетки.

ПОД ЗНАМЕНЕМ ДИФРАКЦИИ

jPJcTOpHK) этого открытия можно было **бы начать с известного опыта Ре-зерфорда. Направив на тончайший слой металла пучок а-частиц, он изучал их рассеяние. Если атомы в виде непроницаемых шариков вплотную уложены в кристалле — рассуждал ученый, <— то, протискиваясь между ними, сс-частица не один раз свернет со своего пути. А пучок таких частиц, прошедших сквозь пленку металла, будет рассеян в самых различных направлениях. Установленный на их пути флуоресцирующий экран равномерно засветится.

Но опыт показал, что подавляющая часть а-частиц свободно проходила сквозь металл, как сквозь пустоту. Лишь незначительное их количество отклонялось от первоначального направления. На флуоресцирующем экране такой пучок оставлял яркое светящееся пятно в ореоле полутени. Пресловутые атомы-шарики оказались пустотой, в которой частицы не испытывали никакого сопротивления. Только сталкиваясь с крошечным, даже по атомным размерам, ядром, частица, словно бильярдный шар, отскакивала в сторону. Именно к таким выводам пришел Резерфорд в 1911 году. Свет и тени на флуоресцирующем экране по

могли раскрыть тайну строения материи.

Не известно, какие светотеневые картины ожидали Резерфорда, если бы он выбрал мишенью для а-частиц не поликристаллический образец, а единый монокристалл. Быть может, тот же эксперимент повернулся бы тогда другой своей сверкающей гранью. Ведь в игру вступило бы такое немаловажное свойство кристалла, как геометрически правильное расположение атомов. Еще одно ценное открытие уже стояло на пороге, но... ровно через год была получена первая рентгенограмма кристалла. Не это ли предопределило дальнейший ход событий, отбросив на полстолетие логическое продолжение знаменитого опыта?

В 1912 году у М. Лауэ возникла замечательная идея. Подражая оптикам, он решил воспользоваться кристаллом как дифракционной решеткой для X-лучей. В том же году дифракцию рентгеновских лучей наблюдали Фридрих и Книппинг. Рассеянные кристаллом Х-лучи собирались в отдельные пучки и оставляли на фотопластинке следы — темные пятна. Профессор Московского университета Ю. Вульф одновременно с английскими физиками — отцом и сыном Бреггами показал, что узор этих пятен связан со структурой вещества. Впервые ученые заглянули в таинство внутренней архитектуры кристаллических тел. Здание кристаллографии, основанное прежде лишь на внешнем облике кристаллов, можно было перенести на твердый фундамент точного знания. Формула Вульфа-Брегга стала основой рентгеноструктурного анализа.

Как не похожи друг на друга опыты Резерфорда и Лауэ! Классическое рассеяние частиц и волновой процесс; отдельное атомное ядро, как рассеивающий центр, и кристаллическая решетка, на которой дифрагируют электромагнитные волны; законы классической механики и сложное переплетение «оптических» явлений. И как по-разному сложились судьбы этих экспериментов!

Работы Лауэ, Фридриха и Книппинга с небывалой быстротой разрослись в широкое русло рентгеноструктурных исследований. А опыт по рассеянию cc-частиц на атомных ядрах, завоевав почетное место в ряду величайших физических экспериментов, мирно почил на страницах учебников и монографий. Громкая слава первооткрывателя ядерной модели атома заглушила все остальные, пусть и менее значительные возможности, таившиеся в опыте Резерфорда.

Победоносное шествие рентгеновских лучей наложило своеобразный отпечаток на образ мышления физиков. Отныне изучение структуры кристаллов уже не мыслилось без участия волновых процессов, в отрыве от явления дифракции. Все остальные возможности, даже если они существовали, скромно отступили в тень. Смелая мысль — заменить рентгеновские лучи электронными пучками — возникла только после того, как в 1925 году де Бройль высказал гипотезу о волновой природе движущихся частиц. И уже в 1927 году Дэвиссон и Джермер наблюдали дифракцию электронов на кристалле никеля. Вскоре появились первые электронографы. А в 1936 году была обнаружена дифракция нейтронов на монокристаллах окиси магния и появилась еще одна отрасль структурного анализа — нейтронография. Не удивительно, что дифракция, словно навязчивая идея, стала неотъемлемым атрибутом всех структурных исследований.

ТЕНЬ БЕЗ СВЕТА

~ЕГ ередко значительное открытие в науке рождается как побочный продукт на пути совершенно иного исследования. Ведь и сам М. Лауэ вряд ли подозревал, что его опыт станет родоначальником целой «индустрии» структурных исследований. Его целью было лишь доказать электромагнитную природу рентгеновских лучей. Подобная судьба постигла и открытие, ставшее по праву конкурентом дифракционного структурного анализа.

Очень трудно порой отличить в твердом теле одну ядерную реакцию от другой, хотя времена их протекания совершенно различны. Так называемые прямые ядерные реакции совершаются за 10 ²² сек. А реакции с образованием промежуточного ядра в десятки и сотни тысяч раз медленнее. Но где найти секундомер, отсчитывающий столь неизмеримо малые промежутки времени? Такой вопрос поставил перед собой научный сотрудник Института ядерной физики МГУ, доктор физико-математических наук А. Тулинов. Поиски наилучшего решения привели его к постановке следующего опыта.

Кристалл вольфрама облучили пучком протонов. Чтобы не произошла обычная дифракция, заряженные частицы предварительно разогнали в циклотроне. Их длина волны (а она, по теории де Бройля, резко зависит от скорости частиц) настолько уменьшилась, что стала сравнимой с расстоянием между атомами в кристалле. При таких условиях никакой дифракции мы заведомо не получим. Здесь можно лишь повторить опыт Резерфорда по рассеянию частиц на атомных ядрах. Так казалось вначале.

16