Атомы и электроны
Шрифт:
Всё вышеизложенное не оставляет никакого сомнения в правильности гениальной догадки Крукса о том, что электроны катодных лучей являются составной частью всех химических атомов. Но исследование катодных лучей привело не только к открытию электронов — этих предсказанных Франклином «атомов электрического флюида», — оно привело также и к другому весьма важному открытию, оказавшему огромное влияние на всё дальнейшее развитие физики. Речь идёт об открытии рентгеновских лучей.
В 90-х годах прошлого столетия очень многие физики изучали замечательные свойства катодных лучей. При этом делались интересные открытия. Так, например, немецкий физик Ленард открыл способ изучать катодные лучи вне разрядной трубки. Для этого он проделал в стеклянной стенке трубки «окошечко» для катодных лучей, т. е. отверстие, закрытое металлическим листиком, очень тоненьким, но всё же способным выдерживать атмосферное давление. Через это окошечко он выпустил
Ещё более — замечательное открытие суждено было сделать другому немецкому физику — мюнхенскому профессору Вильгельму Конраду Рентгену.
В ноябре 1895 года он совершенно случайно обнаружил, что, когда разрядная трубка, в которой от катода бегут катодные лучи, помещена в картонный футляр, экран, покрытый флюоресцирующим веществом, начинает ярко светиться при приближении к этой трубке. Отсюда Рентген заключил, что разрядная трубка испускает особые лучи, невидимые глазу, но свободно проходящие через футляр. Падая на экран, покрытый платиносинеродистым барием{3}, они заставляют его светиться. В первое мгновение Рентген был готов думать, что эти лучи света суть лучи Ленарда, т. е. вырвавшиеся наружу катодные лучи, но он должен был сейчас же отбросить это предположение, потому что лучи Ленарда очень плохо проходили даже через воздух — нескольких сантиметров воздуха было вполне достаточно для того, чтобы их задержать и поглотить, — а эти лучи, наоборот, обладали совершенно удивительной проникающей способностью: они свободно проходили через две сложенные вместе колоды карт, через еловую доску, через человеческую руку и т. д. Исследовав ближе это замечательное явление, Рентген обнаружил, что лучи испускаются той частью стеклянной стенки разрядной трубки, куда падают электроны катодных лучей. Под влиянием ударов со стороны падающих электронов стекло стенки начинает испускать (наряду со своим видимым зеленовато-жёлтым свечением, о котором мы уже упоминали в первой главе) также и особые, невидимые лучи, которые распространяются во все стороны и обладают удивительной способностью проникать на сравнительно большую глубину в тела, непрозрачные для видимого света. Такие лучи Рентген назвал «лучами икс», но это название, впрочем, не привилось, и в настоящее время на русском и на немецком языке открытые Рентгеном лучи называются попросту рентгеновскими лучами (англичане и французы продолжают называть их «лучами икс»).
Очень скоро Рентген обнаружил, что источником новых лучей может служить не только стекло разрядной трубки, но и всякое другое твёрдое 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 неё. 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 нанесён 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 нём 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, начнёт разряжаться,
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.