Под знаком кванта - Леонид Иванович Пономарёв
В начале 1903 г. Пьер Кюри и Альбер Лаборд измерили количество выделяемой теплоты: оказалось, что 1 г радия за 1 ч выделяет примерно 100 кал (по позднейшим измерениям— 135 кал), то есть теплоту, достаточную для tofo, чтобы вскипятить 1 г воды или расплавить 1 г льда. Резерфорд, измеряя ионизацию газов под действием радиоактивности, пришел к тому же заключению: радий непрерывно излучает энергию. Эта энергия очень велика: легко подсчитать, что за год 1 г радия выделяет свыше 1 млн. кал, то есть энергию, которая освобождается при сгорании 170 г угля, а при полном распаде 1 г радия выделится огромная энергия около 4 млрд, кал, то есть теплота сгорания 0,5 т угля.
Откуда радий черпает такую большую энергию? На этот вопрос ученые тщетно пытались ответить в течение четверти века. Мнения исследователей разделились: Уильям Крукс, Пьер и Мария Кюри и ряд других ученых склонялись к мысли, что атомы радия работают как трансформаторы энергии, то есть они вначале поглощают энергию волн неизвестной природы, которые пронизывают все сущее наподобие эфира, а затем переизлучают эту накопленную энергию. Другие уподобляли выбрасывание а-частиц процессу испарения молекул. Но в этом случае они должны были бы иметь различные энергии, а Уильям Брэгг в 1904 г. определенно доказал, что это не так: все а-частицы, испускаемые радием, имели одну и ту же, строго определенную энергию. Резерфорд решительно настаивал на внутриатомном происхождении энергии радия и, как показало будущее, был совершенно прав.
Споры о происхождении внутриатомной энергии носили острый, эмоциональный характер и переходили иногда принятые границы корректности в научных дискуссиях. По-види-мому, это характерная особенность таких дискуссий — начиная с проблемы «вечного двигателя». Быть может, присущий им эмоциональный накал объясняется важностью проблемы: на добывание энергии человечество всегда тратило около трети своих усилий.
ВОКРУГ КВАНТА
Рентгеновские волны
Дифракция и интерференция рентгеновских лучей были открыты в 1912 г. в Мюнхене — и это не случайно. В то время там директором Института физики был Рентген, кафедрой теоретической физики заведовал Зоммерфельд, а Лауэ работал у него приват-доцентом. Все они интересовались рентгеновскими лучами и верили в их волновую природу, правда, по-разному. Сам Рентген полагал, что он открыл продольные колебания эфира, подобные звуковым. Зоммерфельд считал, что Х-лучи возбуждаются при резком торможении электронов, и на основе этой модели даже оценил их длину волны.
В феврале 1912 г. ассистент Зоммерфельда Петер Пауль Эвальд (1888—1985), решая задачу о рассеянии световых волн на пространственной решетке, обратился за помощью к Лауэ. Ответа Лауэ не знал, но при обсуждении задачи ему пришла в голову мысль пропустить через кристалл рентгеновские лучи — мысль сама по себе не новая, поскольку многие, включая самого Рентгена, уже неоднократно этот опыт ставили. Но Лауэ не просто предлагал, он предсказывал. Ход его рассуждений был прост и логичен: «Если рентгеновские лучи — это очень короткие волны, а кристаллы — действительно упорядоченные решетки атомов, расстояния между которыми сравнимы с длиной волны рентгеновских лучей, то при пропускании их через кристалл должна происходить их дифракция и интерференция». Однако оба эти предположения отнюдь не были в то время очевидными и казались многим (включая Планка и Зоммерфельда) «остроумной, но все-таки фантастичной комбинацией идей».
Молодые физики, узнавшие о предложении Лауэ в кафе, где они собирались по средам, были настроены менее консервативно. Один из них, ассистент Зоммерфельда Вальтер Фридрих (1883—1968), сразу же решил проверить гипотезу Лауэ. Зоммерфельд вначале не одобрил его энтузиазма (он поручил ему другую работу), но Фридрих продолжал заниматься этим вечерами, а вскоре, в апреле 1912 г., ему на помощь пришел докторант Рентгена Пауль Книппинг (1883—1935). Совместными усилиями они уже 21 апреля обнаружили явление, которое предсказывал Лауэ и которое почти два десятилетия ускользало от
223
внимания исследователей. Через две недели после получения первых фотографий Лауэ завершил теоретическую картину обнаруженного явления и 8 июня 1912 г. доложил о результатах работы Немецкому физическому обществу. В этот день он продемонстрировал те самые знаменитые лауэграммы кристаллов медного купороса, которые до сих пор неизменно воспроизводятся во всех учебниках атомной физики.
Реакция научного сообщества была мгновенной и бурной. Эйнштейн писал: «Это самое удивительное из всего, что
я когда-либо видел», Уильям и Лоуренс Брэгги немедленно
создали свой кристалл-дифракционный спектрометр для определения длин волн Х-лучей (его тут же использовал Генри Мозли в своей знаменитой работе), а Шведская академия наук уже через полтора года присудила Лауэ Нобелевскую премию — случай в ее практике чрезвычайно
редкий.
лась «настолько само собой разумеющейся», что он «ни
Эта реакция современников сейчас может показаться нам неоправданно восторженной (вспомним: Планк получил Нобелевскую премию в 1918 г., а Эйнштейн — лишь в 1921 г.), но это объясняется, по-видимому, тем, что открытие Лауэ слишком быстро перешло в разряд «очевидных». Даже самому Лауэ его идея впоследствии казакогда не мог понять удивления, которое она вызвала в мире специалистов». Не следует, однако, забывать, что эта «очевидность» того же сорта, что и «яйцо Колумба» или астрономические открытия Галилея: сотни людей до него держали в руках подзорную трубу, но никому из них не пришло в голову направить ее на небо. Точно так же в Мюнхенском университете, который в течение многих лет был центром кристаллографических исследований, во многих лабораториях можно было постоянно видеть каркасные модели кристаллов, но именно над привычным задуматься труднее всего — для этого необходим элемент гениальности.
Были и другие причины, обусловившие чрезвычайную популярность открытия Лауэ. Прежде всего, оно появилось необычайно вовремя, чтобы окончательно закрепить победу сторонников идеи реальности атомов: как раз в это время Жан Перрен завершал опыты с эмульсиями, Резерфорд предложил планетарную модель атома, а Чарльз Вильсон построил свою знаменитую камеру, позволявшую увидеть движение атомов.. Именно после этой серии открытий Вильгельм Оствальд напишет в 1913 г.: «Атомы стали видимыми!»
И последнее: Лауэ объяснил, наконец, природу открытых Рентгеном Х-лучей и уже одним этим обеспечил себе достойное место в истории физики. (Макс Планк в 1939 г. на юбилее Лауэ говорил, что 1879 г. для науки — особый: в этот
