Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская
Основной трудностью в работе было то, что на слабый свет, вызванный молекулярным рассеянием, накладывался намного более сильный свет, рассеянный небольшими загрязнениями и другими дефектами тех образцов кристаллов, с которыми проводились опыты. Исследователи решили воспользоваться тем, что рассеянный свет, образованный дефектами кристалла и отражениями от различных частей установки, точно совпадает по частоте с падающим светом. Их же интересовал только свет с измененной, в соответствии с теорией Мандельштама, частотой. Таким образом, задача состояла в том, чтобы на фоне намного более яркого мешающего света выделить слабый свет измененной частоты, вызванный молекулярным рассеянием.
Идея метода привлекала своей простотой: надо поглотить свет неизмененной частоты и пропустить в спектральный аппарат только свет измененной частоты, отличающейся от первоначальной лишь на несколько тысячных долей процента. Эту идею можно реализовать на основе старого наблюдения, сделанного Кирхгофом. Он заметил, что каждый атом вещества, находящегося в газообразном состоянии, способен излучать световые волны только вполне определенных частот. Вместе с тем этот атом способен и поглощать свет только тех частот, которые он сам может излучать. Поэтому, например, при прохождении света через сосуд, наполненный парами ртути, будет сильно рассеиваться и поглощаться только такой свет, который может испускаться парами ртути, находящимися в лампе. В результате свет от ртутной лампы при прохождении через сосуд, наполненный парами ртути, будет сильно ослабляться, а свет, обладающий другими частотами, например свет от неоновой лампы, пройдет через этот сосуд без заметного ослабления. Без заметного поглощения пройдет через ртутные пары и та часть рассеянного света ртутной лампы, частота которой окажется измененной при рассеянии на случайно возникающих и рассасывающихся неоднородностях.
Мандельштам рассуждал так: свет, рассеянный в кристалле, состоит из двух частей: из слабого света измененной частоты, обусловленного молекулярным рассеянием (исследование этой части являлось целью ученых), и из гораздо более сильного света неизмененной частоты, вызванного как молекулярным рассеянием, так и главным образом посторонними причинами, а именно загрязнениями и другими дефектами кристалла (эта часть была вредной, она затрудняла исследование). Для того чтобы избавиться от мешающей части света, весь рассеянный свет следует пропускать через сосуд с парами ртути. При этом мешающий свет неизмененной частоты существенно ослабляется, а свет измененной частоты проходит без заметного ослабления. Этот свет направлялся в обычный спектроскоп для дальнейшего исследования.
Два года длились подготовительные опыты, выбирались наиболее чистые образцы кристаллов, совершенствовалась методика, устанавливались признаки, позволяющие бесспорно отличать молекулярное рассеяние от рассеяния на случайных включениях и неоднородностях кристалла.
Замечательное открытие
В 1927 году начались решающие опыты. Результаты их были необычайны. Они привели к открытию совершенно нового физического явления. В процессе исследования полученных фотографий спектра — спектрограмм наряду с спектральными линиями неизменной частоты были обнаружены слабые линии со значительно большим изменением частоты, чем это ожидалось на основании теории.
Началась тщательная проверка. Разнообразные контрольные опыты показали, что ошибок нет. В рассеянном свете действительно присутствуют слабые линии, заметно отличающиеся по частоте от падающего света.
Уже в процессе проверки стало ясно, что наблюдаемое на опыте значительное изменение частоты есть следствие процессов намного более быстрых, чем процессы рассасывания случайных неоднородностей. Ведь даже опыт с камертонами показывает, что, чем выше частота модуляции, тем больше изменение частоты звука.
Снимки, в которых выявились новые линии, были получены осенью 1927 года. Однако контрольные опыты продолжались. Советские ученые занялись всесторонней проверкой и тщательным изучением нового явления. После того как в феврале 1928 года в результате обработки многих фотографий спектров были получены точные числовые результаты и установлены закономерности в расположении новых линий, Мандельштам дал теоретическое объяснение их происхождения.
Глубокая интуиция и ясный аналитический ум сразу подсказали ему, что обнаруженные линии вызваны не теми межмолекулярными силами, которые выравнивают случайные неоднородности, а другими силами, действующими внутри молекул. Эти силы обусловливают внутримолекулярные колебания — колебания атомов, образующих каждую молекулу. Такие колебания обладают гораздо более высокой частотой, чем те колебания плотности, которые сопровождают образование и рассасывание случайных неоднородностей среды (в этих колебаниях каждая молекула участвует как одно целое). Поэтому изменение частоты света, вызванное модуляцией, имевшей причиной внутримолекулярные колебания, намного превосходит то изменение, которое предсказывала теория, учитывающая только процесс рассасывания неоднородностей.
Итак, при попытке обнаружить малое изменение частоты рассеянного света, вызванное межмолекулярными силами (это явление предсказал Мандельштам еще в 1918 году), было обнаружено значительно большее изменение частоты, вызванное внутримолекулярными силами.
Таким образом, для объяснения нового явления, которое получило название «комбинационное рассеяние света», достаточно было теорию молекулярного рассеяния, созданную Мандельштамом, дополнить данными о влиянии внутримолекулярных колебаний. Новое явление оказалось открытым в результате развития идеи Мандельштама, сформулированной им в 1918 году.
6 мая 1928 года, после серии контрольных опытов, Мандельштам и Ландсберг сообщили о своем открытии в письме в редакцию журнала «Естественные науки». К письму была приложена фотография спектра.
Кратко изложив историю поисков малых изменений длины волны света при рассеянии его в кристаллах, исследователи сообщали об открытом ими явлении, заключающемся в возникновении в спектре новых линий, далеко отстоящих от спектральных линий падающего света. Здесь же было приведено объяснение природы этого явления: в кристалле существуют колебания молекул, соответствующие линиям поглощения кварца, расположенным за красной границей видимого спектра. Эти линии были исследованы Рубенсом и Никольсом еще в 1897 году. Именно поэтому в спектре рассеянного света возникают новые линии, сдвинутые от первоначальных. Расчет сдвига частоты рассеянного света, проведенный в соответствии с этим предположением, поразительно точно совпал с результатами измерений.
В заключение авторы письма указывали, что в настоящее время они не могут сказать, связано ли открытое ими явление с явлениями, незадолго перед этим описанными Раманом и Кришнаном, ибо описание это дано в очень общем виде.
Буря
В чем же состоит явление, описанное индийскими учеными?
31 марта 1928 года в среде ученых Лондона разыгралась «буря». В этот день вышел из печати очередной номер английского журнала «Природа».
Но хотя волны этого научного циклона разбегались по свету из столицы Великобритании вместе с тоненькими книжками журнала, центр его находился в Индии. Оттуда 16 февраля ученые Ч. В. Раман и К. С. Кришнан отправили письмо с коротким описанием своего открытия.
Оптика — одна из старейших областей науки, поэтому в XX
