Физика 20 века: ключевые эксперименты - Тригг Дж.
Скачать (прямая ссылка):
лучей. Уже через несколько месяцев после того, как они были обнаружены
Вильгельмом Рентгеном в декабре 1895 г., их начали использовать для
медицинской диагностики и контроля металлических отливок. Однако лишь
спустя не менее двух десятков лет удалось установить истинную природу
этих лучей.
Вопрос о природе рентгеновских лучей служил предметом дискуссий почти с
самого момента их открытия. Многие ученые склонны были считать их
идентичными катодным лучам - пучкам электронов, эмиттируемых с
поверхности катода при электрическом разряде в газе под низким давлением,
хотя магнитное поле и не оказывало влияния на рентгеновские лучи.
Некоторые ученые полагали, что эти лучи представляют собой продольные
колебания "эфира", а по мнению иных, это были волны, напоминающие
световые. Трудность заключалась в том, что известные свойства
рентгеновских лучей и их действие, казалось, не удовлетворяют ни одной из
этих гипотез. Когда рентгеновские лучи падали на вещество, они
рассеивались во многом аналогично тому, как рассеивается свет на мутной
жидкости, однако никому не удавалось наблюдать их отражение или
преломление Ч Безуспешными оказались также попытки добиться поляризации
этих лучей методом селективного поглощения, подобно тому как это
происходит при падении
1 Отражение рентгеновских лучей удалось наблюдать лишь в 1923 г. Однако
это было не обычное отражение, которое имеют в виду, говоря об отражении
видимого света; то был особый случай так называемого полного внутреннего
отражения, и оно имело место лишь при почти скользящем падении луча.
13
видимого света на турмалин. В 1906 г. Чарльзу Баркла удалось получить
поляризацию этих лучей методом двойного рассеяния К Однако многих
исследователей это не убедило, так как подобные эксперименты можно было
объяснить, предположив, что рентгеновские лучи состоят из вращающихся
частиц.
Действительно пробным камнем для доказательства волновой природы вновь
открытых лучей могло бы стать наблюдение для них интерференционных
эффектов. Именно таким образом столетием раньше Томас Юнг доказал
волновую природу видимого света. Проведению соответствующих экспериментов
мешало незнание диапазона длин волн рентгеновских лучей. Решающую роль
сыграла работа, сделанная в 1912 г. Максом фон Лауэ, Вальтером Фридрихом
и Паулем Книппингом (за нее Лауэ в 1914 г. получил Нобелевскую премию).
Далее мы опишем проведенный ими эксперимент, сообщение о котором впервые
было опубликовано в Трудах Королевской академии наук Баварии и позднее
перепечатано в журнале Annalen der Physik.
Попытки наблюдать интерференцию рентгеновских лучей предпринимались и
ранее. Еще в 1899 г. Герман Хага и Корнелис Винд пропускали пучок
рентгеновских лучей через треугольную прорезь. Если лучи представляют
собой волны, то, как полагали исследователи, они должны испытывать
дифракцию на краях прорези, в результате чего изображение прорези на
фотопластинке должно быть шире, чем сама прорезь2. Если бы это
1 Интерпретация этого опыта на языке поперечных электромагнитных волн
состоит в следующем. Рассмотрим неполяризованный пучок, падающий под
углом 45° на рассеивающую поверхность. Пучок, отраженный от поверхности
под тем же углом 45°, т. е. под прямым углом к падающему, окажется по
крайней мере частично поляризованным (степень поляризации определяется
оптическими свойствами рассеивателя), причем преимущественное направление
вектора электрического поля будет параллельно плоскости рассеивающей
поверхности. Вследствие этого после повторного рассеяния на 90°
интенсивность рассеянного пучка будет сильно зависеть от азимутального
угла между конечным рассеянным пучком и промежуточным. В частности,
рассеяние минимально, когда конечный пучок перпендикулярен как исходному
падающему, так и промежуточному пучку, и максимально, когда падающий и
рассеянный пучки параллельны (или антипараллельны).
2 Треугольная прорезь использовалась по двум причинам: во-первых, из-за
уже упомянутого незнания диапазона длин волн, а
14
было так, то величина уширения при известных размерах установки позволила
бы оценить длину волны. Хага и Винд пришли к выводу, что если
интерференционные эффекты и имели место, то соответствующая длина волны
не должна превышать 10~9 см. В 1908 г. этот опыт повторили Бернард
Вальтер и Роберт Поль, которые пришли к еще более обескураживающим
результатам: согласно их оценкам, длина волны не превосходила 10-1° см. В
1912 г. эти результаты были проверены Арнольдом Зоммерфельдом, который
провел фотометрические измерения на специальных фотопластинках,
изготовленных Петером Кохом, и выводы, сделанные Хага и Виндом, вновь
подтверждались: доказательств волновой природы рентгеновских лучей
получено не было, но если она действительно такова, то соответствующая
длина волны по порядку величины составляет 10-9 см.
Лауэ удалось привести эти данные в соответствие с теорией строения атома
и твердого тела. Ему было известно, что еще в 1850 г. Браве ввел в
