Интерференция рентгеновских лучей

Переходим теперь к описанию опытов Лауэ, Фридриха и Книппинга. М. Лауэ в 1912 г. предложил использовать кристалл в качестве дифракционной решетки для рентгеновских лучей. К этой мысли он пришел, руководствуясь, с одной стороны, результатами Баркла о рассеянии рентгеновских лучей и о характеристических лучах как излучении флюоресценции, спектрально однородного. С другой стороны, с 1850 г. в кристаллографии утвердилась идея Браве, что кристалл представляет собой пространственную решетку. Постоянная этой решетки имеет порядок 10^-8 см. Опыты Вальтера и Поля 1908 г. по дифракции рентгеновских лучей давали порядок длины волны 10^-9. Такой же порядок был получен в опытах Р. Зомтмерфельда и Коха 1912 г.

М. Лауэ

Исходя из этого, Лауэ предложил Вальтеру Фридриху и Паулю Книппингу проверить экспериментально возможность применения кристалла как дифракционной решетки для рентгеновских лучей. Результат исследования был опубликован в "Мюнхенских известиях" за 1912 г. и перепечатан в несколько измененном виде в "Annalen der Physik" за 1913 г. Статья "Интерференционные явления в рентгеновских лучах" поступила в журнал 15 марта 1913 г. Она состояла из двух частей - теоретической и экспериментальной. Теоретическая часть была написана Лауэ, экспериментальная Фридрихом и Книппингом. Лауэ рассчитал теоретически появление интерференционных максимумов при прохождении рентгеновского луча через кристалл. Свой расчет Лауэ заканчивает рассмотрением вопроса, в какой мере эти опыты подтверждают волновую природу рентгеновских лучей. "Что выходящее из кристалла излучение носит волновой характер, вполне доказано разностью интерференционных максимумов, которые легко понять как интерференционные явления, но едва ли оно может быть понято на основе корпускулярных представлений..."

Схема установки Лауэ, Фридриха и Книппинга

Но Лауэ добавляет, что в волновой природе первичного луча можно сомневаться. Атомы решетки могут быть возбуждены и корпускулами (в понятие "корпускулы" Лауэ включает и световые кванты). Но для того чтобы колебания атомов были когерентны, они должны возбуждаться одними и теми же корпускулами. Атомы, возбуждаемые различными корпускулами, не могут колебаться с определенной разностью фаз. Анализ приводит Лауэ к выводу, что различие между первичными и выходящими из кристалла лучами состоит в том, что лучи, вышедшие из кристалла, монохроматические, первичный же луч представляет собой непериодическое, зоммерфельдовское, "излучение торможения". "Нерешенным пока остается,, возникает ли периодическое излучение в кристалле благодаря флюоресценции или оно существует уже в первичном излучении наряду с импульсами и только выделяется кристаллом".

Установка Фридриха-Книппинга-Лауэ

Таким образом, в опытах Лауэ, Фридриха и Книппинга "белое" рентгеновское излучение проходила через кристалл и давало интерференционные максимумы, соответствующие определенным длинам волн. В установке Фридриха и Книппинга лучи, выходящие из антикатода рентгеновской трубки, проходят через систему диафрагм, выделяли узкий пучок диаметром около 1 мм. Этот пучок пронизывал укрепленный на гониометре кристалл. В опытах использовались кристаллы цинковой обманки, каменной соли и свинцового блеска. Опыты блестяще подтвердили гипотезу Лауэ. Работа выполнялась в институте Зоммерфельда.

Одна из первых лауэграмм

Приведем характеристику работы Лауэ, данную У. Г. и У. Л. Брэггами в их книге «Рентгеновские лучи и строение кристаллов»: «У Лауэ явилась мысль воспользоваться упорядоченным расположением атомов или молекул в кристалле в качестве «решетки», пригодной для исследования рентгеновских лучей. Расстояния между атомами или молекулами по своему порядку величины оказываются подходящими для этой цели. Решение задачи о дифракции волн в этом случае не так просто, как для плоской, обыкновенной решетки, так как правильность расположения атомов в кристалле распространяется на три направления вместо одного. Лауэ, однако, с успехом справился с математической стороной задачи. Он показал, что при прохождении через кристаллы пучка рентгеновских лучей должен образоваться ряд пучков, отклоненных вследствие дифракции от направления первоначального пучка по законам, которые Лауэ определил теоретически. Фотографическая пластинка, помещенная за кристаллом перпендикулярно первоначальному пучку, после проявления должна обнаружить резкое пятно в том месте, где ее встретит первоначальный пучок, прошедший через кристалл без изменения направления, и вокруг этого пятна целый ряд других пятен в местах встречи отклоненных пучков с пластиной. Соответствующий опыт был произведен Фридрихом и Книппингом весной 1912 г. и блистательно подтвердил идею Лауэ".

Лауэграмма

О глубине впечатления, произведенного открытием Лауэ, можно судить по тому факту, что ему в 1914 г. была присуждена нобелевская премия по физике "за его открытие дифракции рентгеновских лучей в кристаллах".