Макс Лауэ - ИСТОРИЯ ФИЗИКИ
Расщепление урана посредством нейтронов дает теперь возможность того использования атомной энергии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна», но которое еще Резерфорд объявил иллюзией.
При расщеплении нейтронами изотопа урана с атомным весом 235 освобождаются в одном элементарном акте при применении одного нейтрона в среднем два нейтрона, как это показали еще в 1939 г. Ф. Жо-лио, Л. Коварский и Г. Халбан. Поскольку распад этого изотопа урана может быть произведен посредством нейтронов с очень малой энергией, при известных условиях становится возможной цепная реакция, которая ведет к дальнейшему расщеплению ядер, так что процесс протекает сам собой во все возрастающем темпе. Вторая мировая война, разразившаяся через 8 месяцев после опубликования открытия Гана, привела к тому, что первым применением этого открытия было создание нового страшного оружия. Большое деловое сотрудничество американских и английских ученых, опирающееся на огромные государственные средства, создало в течение этой войны атомную бомбу, которая взорвалась 16 июля 1945 г. в Новой Мексике, 6 августа над Хиросимой и вскоре после этого над Нагасаки. Подробное изложение этого развития выходит за рамки этой книги*). С точки зрения физики здесь занимаются величайшим экспериментом, который когда-либо ставили люди. Это - блестящее подтверждение смелого научного предвидения, основанного на убеждении в объективной истинности физики.
Как глубоко эти результаты внутренне и внешне преобразят человечество, пока еще трудно оценить. Возможно, что позднее написанная история будет рассматривать вышеупомянутые открытия как важнейшие во всей исторической эпохе, поскольку замедленное течение цепной реакции, приводящей ко взрыву бомбы, дает возможность использования энергии атомного ядра для мирных, созидательных целей.
*) См. Н. D. Smyth, Atomic energy for military purposes, Princeton University Press, 1945; русский перевод: С м и т, Атомная энергия для военных целей, М., 1948.
ГЛАВА 12
КРИСТАЛЛОФИЗИКА
Наука о кристаллах принадлежит исключительно новому времени. Правильные формы некоторых алмазов, а также гладкие грани других кристаллов, правда, бросались в глаза и прежде; кажущееся беспорядочным изменение их величины и формы было, вероятно, причиной того, что не устанавливали закономерностей. В древности знания о минералах приобретались случайными наблюдениями и к тому же переплетались с мифологией и верой в волшебную силу драгоценных камней.
Совершенно изолированно стоит маленькое сочинение Иоганна Кеплера, появившееся в 1611 г.: из простого наблюдения над «шестиугольными снежинками», именем которых названо его сочинение, гениальный ученый пришел к идее симметрии и даже построения снежинок из плотно упакованных шаров. В его геометрических размышлениях мы узнаем опять тот ход мысли, который Кеплер применил в 1596 г. в своем «Prodromus» при выводе закона для радиусов орбит планет. Этот закон вскоре был признан неправильным; но взгляд на мир, как на творение духа, предпочитающего простые математические отношения, поставил Кеплера здесь на верный путь. Однако это случайное сочинение, которое он сам рассматривал отчасти как забаву, не оказало влияния.
В 1669 г. Нильс Стенсен (Николай Стено, 1638- 1686) открыл, что у кварца (от которого термин «кристалл» был постепенно перенесен на другие твердые
тела с определенной естественной формой), а также у некоторых других кристаллов, даже если они обработаны, между их плоскостями обнаруживается всегда один и тот же угол. В том же году Эразм Бертельсен (Бартолинус, 1625-1698) заметил у исландского шпата двойное лучепреломление, которое в 1678 г. Гюйгенс (гл. 4) объяснил на основе волновой теории. Доменико Гульельмини (1655-1710) распространил в 1688 г. закон постоянства углов на некоторые кристаллы соли. Целое столетие ушло на установление этих фактов. Кристаллография оставалась незатронутой большими успехами остальной физики; физики не имели в своем распоряжении хорошо обработанных кристаллов, а минералоги, правда, обладали ими, но занимались главным образом другими задачами. (Получение искусственных кристаллов является трудным искусством, и в систематической форме оно развилось только в XX веке). Исключением является открытие пироэлектричества в турмалине. В течение долгого времени давались неправильные объяснения этого явления. Лишь в 1758 г. Франц Ульрих Теодор Эпинус (1724-1802) показал, что плоскости кристалла заряжаются при изменении температуры.
Только в 1772 г. появилось опять значительное произведение о формах кристаллов: Жан Батист Роме де Лиль (1736-1790) распространил закон постоянства углов, образуемых плоскостями, на многие другие кристаллы. Эти углы, т. е. положения плоскостей друг по отношению к другу, являются с тех пор, как известно, основной характеристикой любого вида кристаллов,, в то время как величина плоскостей определяется случайными побочными обстоятельствами при росте кристалла.
На основе этого закона развивалась геометрическая кристаллография в процессе трудного детального изучения и, конечно, не без заблуждений. Благодаря выдающимся работам Христиана Самуэля Вейса (1780-1856), исследованиям его ученика Франца Эрнста Неймана (1798-1895) (первого крупного физика, вплотную занявшегося кристаллами), работам Фридриха Моса (1773-1839) и Карла Фридриха Наумана (1797-1873), наконец, Вильяма Миллера (1801-1880) был установлен «закон рациональности». Он определяет положение любой кристаллической плоскости тремя небольшими целыми числами, ее «индексами», если известны три оси кристалла и длина каждой из них. Вышеуказанные исследователи старались также дать систематику кристаллов. Однако полная систематика удалась только в конце этого периода, в 1830 г., Иоганну Фридриху Христиану Гесселю (1796-1872). На основе закона рациональности он дал геометрическое доказательство того, что существуют 32 класса кристаллов, и не больше. Но на его работу также не обращали внимания в течение десятилетий. В 1867 г. Аксель Гадолин (1828-1892), не зная о своем предшественнике, весьма изящным образом вновь установил эту систематику. Таким образом, цель геометрической кристаллографии была достигнута.
Классы кристаллов различали сначала по симметрии, характерной для положений граней. Одновременно укреплялось также представление о том, что эта симметрия имеет решающее значение также для процессов внутри кристаллов, например для распространения света и упругости. Известковый шпат, на котором раньше всего было изучено двойное лучепреломление, имеет только одну оптическую ось. В 1812 г. Жан Батист Био (1774-1862) нашел у слюды две оптические оси. Давид Брюстер (1781-1868) подтвердил это в 1813 г. на примере топаза и других кристаллов.а также расширил в 1818 г. список веществ, имеющих двойное лучепреломление, до числа свыше ста. Известный астроном Джон Фредерик Вильям Гершель (1792-1871) усовершенствовал эти знания, в частности, благодаря применению монохроматического света. Но точную связь между геометрической симметрией плоскостей и физическими свойствами кристаллов формулировал в основном правильно лишь в 1833 г. Франц Нейман, который уже в 1832 г. свел кристаллооптику Френеля
к упругой теории света. Этот же великий исследователь создал также теорию упругости кристаллов. По его следам пошел его ученик Вольдемар Фойгт (1850-1919); учебник кристаллофизики Фойгта, появившийся в 1910 г., остался до сих пор неисчерпаемой сокровищницей сведений по всем физическим проблемам кристаллов. В нем имеется также теория пироэлектричества, которую развил в 1878 г. Вильям Томсон (лорд Кельвин), а также пьезоэлектричества, открытого в 1881 г. Пьером Кюри (1859-1906).
Однако сущность кристаллического состояния, согласно современным взглядам, определяется не этими свойствами, а упорядоченным расположением атомов в пространственных решетках, т. е. конфигурациями со строгой трехмерной периодичностью. На этой основе можно понять все свойства кристаллов.
Теория пространственной решетки имеет длинную историю. Шаровые упаковки, о которых еще в 1611 г. говорил Кеплер, были уже пространственной решеткой, хотя он не применял этого понятия. Разносторонний Роберт Гук (1635-1703) высказал в 1665 г. в своей «Микрографии» правильный взгляд на строение кристаллов, но не обосновал и не развил его. Гюйгенс в своем «Трактате о свете» (гл. 4), напечатанном в 1690 г., на основе изучения характера расщепления известкового шпата дает структуру кристалла в форме пространственной решетки, состоящей из мельчайших частиц эллипсоидальной формы. На основании этого же свойства в 1773 г. Торберн Бергманн (1735-1784), а в более общей форме в 1782 г. Рене Жюст Аюи (1743-1822) рассматривали кристалл, как кладку из мельчайших строительных камней, которые имеют форму параллелепипедов, и также обнаруживающую периодичность по трем измерениям. Физик Людвиг Август Зеебер (1793-1855) был первым, кто соединил с этим воззрением тогда еще новое понятие химического
