Идеи Брэгга о природе рентгеновских лучей

Одним из замечательных достижений в исследовании излучений, полученных в этот период, было открытие волновой природы рентгеновского излучения. Однако этому открытию предшествовало открытие фактов, свидетельствующих об обратном, о корпускулярной природе рентгеновского излучения. Так, обобщая факты, относящиеся к возникновению вторичных β-лучей, возбужденных рентгеновским или γ-излучением, Брэгг писал в своей книге "Исследования по радиоактивности" вышедшей в 1912 г., накануне открытия Лауэ:

"Мы можем в качестве конечного вывода из всех этих экспериментов (по возбуждению β-лучей рентгеновским или γ-излучением.- П. К.) утверждать следующее:

1. Скорость β-лучей, производимых γ- или Х-лучами, зависит только от качества или проникающей силы возбуждающих лучей. Скорость и проникающая способность первых возрастает с проникающей способностью последних. Скорость не зависит ни от интенсивности γ- или Х-лучей, ни от природы атома, из которого происходят β-лучи.
2. Начальное направление движения β-лучей более или менее продолжает направление γ- или Х-лучей; этот эффект будет более отчетливо выражен, когда возбуждающие лучи являются сильно проникающими и атомный вес мал. В случае жестких γ-лучей и легких атомов продолжение почти полное; в случае мягких лучей и тяжелых атомов оно очень мало".

Эти факты, характеризующие фотоэффект в рентгеновских лучах, подводят Брэгга к мысли о корпускулярной природе рентгеновских лучей. Глава XIII его книги так и называется "Корпускулярная форма Х-лучей". Ее он начинает с указания, что приведенные выше факты "весьма значительны" для обсуждения источника энергии β-лучей.

Природа этого источника может мыслиться двояким образом:

• энергия β-лучей берется из атома, и Х-лучи играют роль "спускового механизма" для освобождения атомной энергии
• энергия β-лучей черпается из энергии рентгеновских лучей.

Г. Брэгг.

Первая альтернатива не соответствует фактам, и Брэгг обсуждает вторую. Здесь опять-таки существуют две возможности. Одна возможность состоит в том, что атом накапливает энергию, доставляемую рентгеновскими лучами, распространяющимися от источника непрерывной волной, фронт которой постепенно расширяется по мере удаления от источника. Производя подсчеты, Брэгг показывает, что при этом требуется огромное время накопления, чтобы β-лучи могли начать освобождаться. Однако β-лучи появляются в тот же самый момент, в какой начинает работать рентгеновская трубка. Наконец, волновая гипотеза не может объяснить факта зависимости направления β-лучей от направления Х-лучей. Таким образом, для первой гипотезы возникают непреодолимые трудности при объяснении возникновения вторичных электронов.

Брэгг обсуждает далее вторую гипотезу: "Предположим, что энергия одного β-луча доставляется одним Х-лучом". Все предыдущие трудности разрешаются сразу.

Поскольку энергия Х-луча является источником энергии β-луча, скорость последнего зависит только от качества первого и не зависит от природы атома, в котором имеет место преобразование; атом теперь является не более чем трансформирующим агентом. Дисимметрия в направлении движения β-лучей объясняется также легко..."

Указав, что опыты показывают независимость скорости β-лучей от расстояния, проходимого Х-лучами от источника до места преобразования, Брэгг пишет: "Х-лучи должны сохранять свою форму, свою энергию и все свои характеристики, когда они распространяются. В весьма реальном смысле Х-излучение является "корпускулярным" излучением, состоящим из отдельных сущностей, или квантов, каждый из которых движется равномерно и прямолинейно, не изменяясь, пока при встрече с атомом энергия Х-луча не исчезнет и не возникнет энергия β-луча".

Брэгг напоминает, что и обратно, при возникновении Х-лучей в месте удара электрона об антикатод имеет место корреляция между этими электронами и порождаемыми ими рентгеновскими лучами. "Дополняя этот параллелизм, Штарк показал (Phys. Zs. 1909, стр. 902), что направление Х-луча так относится к направлению вызвавшего его катодного луча, что эти два направления будут более или менее продолжать друг друга, в особенности когда вес атома мал".

Все факты, относящиеся к возникновению рентгеновских лучей из катодных, также приводят Брэгга к выводу, что "один β-луч порождает один Х-луч". И далее, рассмотрев корпускулярную картину возникновения рентгеновской частицы в месте удара электрона об антикатод, Брэгг пишет: "β-лучи и Х-лучи являются неизменяемыми корпускулярными формами, одна хорошо изученная в ее главных формах, другая новая и подлежащая исследованию".

Брэгг посвящает ряд глав изучению следствий этой гипотезы. В частности, он указывает, что Х-лучи производят ионизацию только посредством порожденных ими вторичных β-лучей. Последнюю главу своей книги Брэгг называет "Природа X- и γ-лучей". Она должна раскрыть более точно и определенно термин "корпускула" в применении к рентгеновским лучам. Главное свойство этих лучей - их взаимозаменяемость с электронами, электрическая нейтральность, поляризация. Вопрос о скорости рентгеновских лучей решался Блондло в 1903 г. и позже Марксом, разрабатывавшим идею Блондло, не упоминая о нем. И Блондло, и Маркс пришли к выводу, что скорость рентгеновских лучей совпадает со скоростью света. Однако выводы Маркса оспаривались Полем и другими, и вопрос еще не был окончательно решен к моменту выхода книги Брэгга. Кроме того, теория должна объяснить рассеяние и поглощение лучей.

Брэгг упоминает сначала о теории Стокса, согласно которой ускоренный электрон вызывает импульсы в эфире. Такие возмущения эфира, указывает Брэгг, достаточны для того, чтобы описать отрицательные качества рентгеновских лучей: их неспособность отражаться, преломляться и поляризоваться под воздействием кристаллической структуры. Точно так же дифракция должна быть за пределами наблюдений. Положительным свойством, объясняемым этой теорией, является движение импульсов со скоростью света. Если вторичные рентгеновские лучи являются возмущениями в эфире, вызванными ускорениями электронов в атоме, обусловленными первичными Х-лучами, то можно объяснить поляризацию, найденную и количественно объясненную Баркла в 1911 г. "Это последнее поразительное согласие теории с экспериментом",- пишет по этому поводу Брэгг.

Но целый ряд фактов не согласуется с теорией Стокса. Она не может объяснить взаимозаменяемость Х-лучей и электронов. Но "наиболее поразительные количественные результаты связаны с передачей энергии от Х-луча к электрону и обратно".

Импульсная теория не объясняет явлений, связанных с рассеянием рентгеновских лучей, она не объясняет дисимметрии между рассеянием лучей вперед и назад, особенно большой в случае γ-лучей. Она не объясняет дисимметрии в эжектировании вторичных катодных или β-лучей. Здесь, правда, Брэгг напоминает о результате Зоммерфельда, опубликованном в "Известиях Баварской Академии наук" от 7 января 1911 г.: "Имеется дисимметрия в распределении Х-лучей, производимых катодными лучами, которую недавно рассмотрел Зоммерфельд на основе импульсной теории.

Он показал, что когда электрону сообщается скорость, равная 99% скорости света, возмущение распространяется наружу в виде полого конуса с вертикальным углом 10°, и ось конуса будет направлением движения электрона. Когда конечная скорость будет 90% скорости света, угол будет 50° и так далее. Но это очень далеко от объяснения взаимного обмена".

Брэгг замечает, что в начале открытия рентгеновских лучей теория импульсов была полезной, обеспечивая качественное

объяснение явлений. Но позже она перестала вести, а скорее отставала от общего продвижения. Главной чертой явлений Брэгг считает взаимозаменяемость Х-лучей и электронов. Для объяснения этого основного факта надо представлять более материально рентгеновские лучи. "Электрон β-лучей,- пишет Брэгг,- можно представлять способным при присоединении достаточного количества положительного электричества нейтрализовать свой собственный заряд и делать это без ощутимого увеличения его массы. Это и есть превращение электрона в Х-луч; обратное преобразование имеет место, когда электрон снова отбрасывает свой положительный заряд...

Не является аргументом против этого взгляда то, что положительный электрон все еще не изолирован, так как возможность обнаружения заряженной частицы зависит от отношения ее заряда к массе. Мы различаем атом и электрон - отношением ^e/_m, в тысячу раз большим, чем атом; но отсюда не следует, что мы должны найти частицу, для которой это отношение значительно больше". Так неожиданно перед нами предстает гипотеза аннигиляции пар, порождающей излучение. Более того, Брэгг прямо утверждает: "Теория нейтральной пары есть прямое физическое выражение факта". Он пишет далее: "Она достигает успеха поэтому как раз там, где теория импульсов оказывается несостоятельной, давая простое и удобное средство изображения в мысли процессов в Х-лучах".

Для того чтобы теория импульсов имела успех, необходимо, чтобы она развилась таким образом, чтобы, с одной стороны, включила рентгеновские лучи в схему электромагнитных излучений и, с другой, совместила с законами электромагнетизма "существование квантового" поведения, аналогичного парам".

Брэгг думает о теории, которая объединяла бы волновую и квантовую точки зрения. Он указывает, что Эйнштейн, Штарк и др. развили идею световых квантов и рассматривали фотоэффект как передачу энергии от кванта к электрону. "Когда я впервые развил теорию нейтральных пар, я не знал работы Эйнштейна и руководствовался только' результатами экспериментальных исследований о поведении новых лучей. Я не думал перенести эту идею в теорию света; наоборот, я надеялся доказать, что между этими двумя родами излучений нет никакой связи. Мне все еще кажется, что теория нейтральных пар правильно описывает главные процессы в Х-лучах" что была неспособна сделать старая теория распространяющихся импульсов даже в форме, модифицированной Томсоном. Но теперь я должен прибавить, что мы должны искать возможную схему большей общности, в которой световые волны и корпускулярные Х-лучи могут оказаться крайними представлениями некоторого общего эффекта".

Эти замечательные мысли Брэгга, в которых предчувствуется будущая квантовая механика и квантовая электродинамика, заканчиваются пророческими словами: "Если исследования, проведенные с этой точки зрения, окажутся успешными, то мы, я думаю, должны будем руководиться и побуждаться идти дальше некоторой большой идеей, примиряющей старый антагонизм между корпускулами и волнами".

Вот какие мысли высказывал Брэгг в тот год, когда уже была доказана волновая природа рентгеновских лучей, и накануне своих фундаментальных работ по спектроскопии рентгеновских лучей.

Прежде чем перейти к изложению работ Лауэ, Фридриха и Книппинга и отца и сына Брэггов, доказавших волновую природу рентгеновских лучей, мы остановимся на сводке Баркла, которая хотя и появилась несколько позже указанных работ, но дает результаты исследований характеристических рентгеновских лучей, выполненных до этих работ. Эта сводка познакомит нас с тем, что было известно о рентгеновских лучах до фундаментального открытия Лауэ.

Сводка Баркла представляет тезисы доклада, сделанного им на 85-м съезде немецких естествоиспытателей и врачей в Вене 24 сентября 1913 г. К этому времени были известны уже результаты опытов Лауэ, Фридриха и Книппинга и Брэггов. Понятие длины волны рентгеновских лучей прочно вошло в физику, и Баркла им пользуется, правда, все время сопоставляя его с прежней характеристикой рентгеновских лучей по проникающей способности (жесткости). Баркла отмечает, что при прохождении рентгеновских лучей через вещество возникают три вида излучений: рассеянное первичное излучение, характеристическое излучение, и вторичные катодные лучи, и он в своем обзоре перечисляет свойства характеристического излучения.

1. Это излучение в отличие от первичного однородное, обладающее определенной поглощательной способностью, характерной для элемента, его испускающего. Так как химическое соединение излучающего элемента не влияет на характер испускаемого им излучения, то Баркла делает важный вывод, что характеристическое рентгеновское излучение испускается не валентными электронами.
2. Проникающая способность характеристического излучения возрастает с атомным весом излучающего элемента. На языке волновой теории рентгеновских лучей это означает, что, чем больше атомный вес элемента, тем короче длина волны испускаемого им рентгеновского излучения.
3. Все наблюдавшиеся характеристические лучи распадаются на две серии: К- и L-серии. Излучение каждой из обоих серий будет тем более проникающим (коротковолновым), чем выше атомный вес элемента. Баркла считает весьма вероятным, что каждый элемент имеет свое характеристическое излучение и что имеются еще не открытые лучи других серий. Предвидение Баркла оправдалось.

Далее Баркла перечисляет другие факты, наблюденные в характеристическом излучении. Он указывает метод измерения длин волн характеристических лучей, через измерение скорости электронов, выбитых ими при прохождении через вещество. Чем более проникающим будет излучение, тем больше будет скорость выбитых электронов. Используя квантовое соотношение для фотоэффекта: ¹/₂mv² = hv (Баркла называет его соотношением Планка) и данные Виддингтона (1911) по определению скорости вторичных электронов, Баркла получает длины волн К-серии для элементов Al, Са, Cr, Rh, Ag, Се, причем очень ясно видно, как длина волны уменьшается по мере возрастания атомного веса (для алюминия Баркла получил λ = 5,9 A⁰, для цезия -0,22 А⁰).

Явление возникновения характеристических лучей под действием первичного излучения аналогично оптической флюоресценции. Однако Баркла констатирует, что в отличие от оптической флюоресценции испускание характеристических лучей происходит во внутренней части атома, на которую нельзя воздействовать никакими физическими средствами, которыми располагали в то время физики.

Характеристическое излучение может возникнуть и под действием электронов (β-излучение), причем для возникновения характеристического излучения скорость электронов должна превышать некоторое критическое значение.

Баркла заканчивает свое сообщение указанием на удивительную простоту явлений характеристического излучения в том смысле, что поведение одного вещества типично для других - это в том же 1913 г. блестяще подтвердилось исследованиями Мозли,- и на фундаментальное тождество рентгеновских лучей и света. В опытах Лауэ и Брэггов Баркла усматривает начало спектроскопии рентгеновских лучей.