Айзек Азимов - Земля и космос. От реальности к гипотезе
Ясно, что излучение не может появиться из ниоткуда. Летящие электроны, из которых состоят катодные лучи, ударяют в стекло и останавливаются, более или менее внезапно. Кинетическая энергия этих летящих электронов должна перейти в какую-то другую форму, и это происходит в виде «x-лучей», которые имеют достаточно энергии, чтобы пройти сквозь довольно объемные предметы.
Если такое происходит при столкновении электронов со стеклом, то что должно случиться, когда они столкнутся с чем-либо, остановившим их более эффективно? Резкая потеря скорости должна привести к появлению «x-лучей» с большей энергетикой, чем у тех лучей, что наблюдал Рентген. В катодную трубку на пути электронов были помещены частицы металла. То, что ожидалось, произошло. Получился более интенсивный поток «x-лучей» с большей энергией.
«X-лучи», возникающие в результате столкновения электронов с металлом, были особенно тщательно изучены в 1911 году английским физиком Чарлзом Глоувером Баркла. Физики в то время еще не создали приемлемых техник для измерения свойств «x-лучей» с необходимой точностью, но, по крайней мере, когда данный поток «x-лучей» проникал через какое-то вещество на большую глубину, чем другой поток «x-лучей», то можно было говорить, что первый поток содержит больше энергии.
Баркла обнаружил, что для данного металла «x-лучи» появляются в виде набора потоков, каждый из которых имеет свою энергию, если судить по их проникающей способности. Он отнес лучи с одной энергией к «К-серии», с другой — к «L-серии», третьей — к «M-серии» и так далее, в порядке уменьшения проницаемости и, следовательно, уменьшения энергии. Разница в энергии оказалась дискретной. Между уровнями «К-серии» и «L-серии» промежуточных уровней не оказалось, как и между уровнями других серий.
Более того, разные металлы давали наборы «x-лучей», характерных только для них. Если взять только одну серию, к примеру «L-серию», то с возрастанием атомной массы металла, который бомбардируется электронами, возрастает и энергия этой серии.
Поскольку энергетические уровни «x-лучей» характеризуют металлы, используемые для остановки электронов, Барка назвал их «характеристические „x-лучи“».
Знак «x», применяющийся обычно по отношению к неизвестным величинам, весьма точно подходил к «x-лучам» (рентгеновским лучам) на протяжении семидесяти лет после открытия Рентгена.
Состоят ли рентгеновские лучи из частиц, таких, как электроны, но со много большими энергиями? Или же «x-лучи» представляли собой наборы электромагнитных волн, подобно обыкновенному свету, но с намного большими энергиями?
Если бы «x-лучи» состояли из волн, они бы отклонялись от курса дифракционной решеткой, состоящей с одной стороны из многочисленных параллельных друг другу тонких непрозрачных линий с совершенно прозрачными промежутками между линиями. Проблема состояла в том, что линии должны были располагаться через очень малые промежутки. Чем короче изучаемая длина волны излучения, тем ближе друг к другу должны располагаться линии.
При помощи механических устройств можно сделать тонкие линии, достаточно близко расположенные друг от друга, чтобы отражать обыкновенные световые волны, но если бы «x-лучи» были бы световыми волнами, но со много большей энергетикой, у них были бы значительно меньшие длины волн, чем у обычных световых волн. Механическими средствами линии просто невозможно провести достаточно близко, чтобы они могли оказать дифракционное действие на рентгеновские лучи.
Немецкому физику Максу Теодору Феликсу фон Лауэ пришло в голову не полагаться на механические средства. Кристаллы состоят из атомов, идущих с исключительной регулярностью. Внутри кристалла идет несколько слоев атомов одного вида, ориентированных вдоль одной плоскости. Именно эти последовательные слои атомов, расположенные на равных расстояниях друг от друга, и будут отклонять рентгеновские лучи. Другими словами, кристалл является дифракционной решеткой, созданной природой в угоду исследователям XX века (если смотреть на дело с романтической точки зрения).
Итак, если рентгеновские лучи направить на кристалл и если они отклонятся так, как это следует из теории для световых волн, тогда очень похоже, что «x-лучи» — это световые волны.
В 1912 году фон Лауэ и его помощники направили рентгеновские лучи через кристалл сульфида цинка, и луч в самом деле отклонился. Рентгеновские лучи оказались электромагнитным излучением, подобно свету, но с намного большей энергией. Теперь «x-лучи» не были больше «x», но тем не менее в английском языке они свое имя сохранили.
Ученые могли идти дальше. Можно рассчитать расстояние между слоями атомов в кристалле так, чтобы лучи данной длины волны проходили не отклоняясь. Отсюда нетрудно узнать, сколько через кристалл проходит излучения других длин волн, причем с удивительно высокой точностью.
Молодой австралийский студент-физик из Кембриджа, Уильям Лоренс Брэгг, услышав об эксперименте фон Лауэ, сразу это понял. Его отец, преподаватель физики в университете Лидса, увидел то же самое. Вместе отец и сын начали поспешно измерять длины рентгеновских волн и совершенствовать технику измерений.
И вот мы подходим к главному герою этой главы, к английскому физику Генри Гвин-Джеффри Мозли, сыну профессора анатомии, скончавшемуся, когда Генри было только четыре года.
Мозли был просто блистательным ученым. Он учился в Итоне и Оксфорде, и в 1910 году, когда ему было двадцать три года, он присоединился к группе молодых людей, работавших под началом уроженца Новой Зеландии Эрнста Резерфорда в университете Виктории в Манчестере. В этой группе он проработал два года.
Резерфорд был одним из величайших экспериментаторов всех времен. В 1908 году он получил Нобелевскую премию (эта премия была по химии, поскольку его открытия в области физики имели исключительно важное значение для химии. Резерфорд был несколько разочарован этим, так как любой хороший физик смотрит на химиков свысока).
Более того, семеро из тех, кто работал у Резерфорда когда-либо, получили Нобелевские премии за свои собственные достижения. Тем не менее есть много доводов в пользу того, что из всех работавших у Резерфорда самым блистательным был именно Мозли.
Так получилось, что Мозли объединил работы Брэггов и Баркла. При изучении поведения различных металлов, испускающих рентгеновские лучи, он отказался от грубого способа определения энергии излучения по поглощению в препятствии; Мозли начал пропускать лучи через кристалл, на манер Брэггов, что позволило измерять длину волны с большой точностью.
Это он сделал в 1912 году (к этому времени он перебрался в Оксфорд и начал независимые исследования) для металлов — для кальция, титана, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля и меди. Эти элементы составляют, именно в этом порядке, непрерывную последовательность; в общем ряду между кальцием и титаном должен быть скандий, но у Мозли не было скандия для работы.
Мозли нашел особые серии характеристических рентгеновских лучей, связанные с каждым металлом. С продвижением вдоль Периодической системы длины волн уменьшались (а энергия, таким образом, увеличивалась), причем по очень определенному признаку. Положение в Периодической системе соответствовало квадратному корню из длины волны.
Это исключительно важно, поскольку порядок размещения в Периодической системе по атомным массам, который до того был главным критерием для определения последовательности в Периодической системе, регулярности подчинялся не всегда. Атомные массы, изученные Мозли, составляли (с точностью в один знак после запятой): 40,1; 47,9; 50,9; 52,0; 54,9; 55,8; 58,9; 58,7 и 63,5. Атомная масса скандия, которого у Мозли не было, была равна 45,0. Интервалы между атомными весами составляли, таким образом, 4,9; 2,9; 3,0; 1,1; 2,9; 0,9; 3,1; -0,2; 4,8.
Эти интервалы не могут идти ни в какое сравнение с абсолютной регулярностью длин волн рентгеновских лучей. Более того, в Периодической системе есть несколько мест, где элементы идут не в порядке возрастания атомных масс. Только из химических свойств следует, что никель должен идти после кобальта, хотя атомный вес никеля немного меньше, чем атомный вес кобальта. Но подобной путаницы никогда не случается, если руководствоваться рентгеновскими лучами. По этому критерию никель имеет характеристические рентгеновские лучи большей энергии, чем кобальт, и потому обязан идти после кобальта.
Мозли пришел к заключению, что атомные веса элементов не являются фундаментальными характеристиками и сами по себе не определяют место данного элемента. А вот рентгеновские лучи, напротив, представляют нечто такое, что является фундаментальными характеристиками элемента.
Мозли даже смог определить это нечто.
