Наблюдения и озарения или Как физики выявляют законы природы

В ходе исследований и при их обсуждениях с участием Эвальда выяснилось, что рентгеновские лучи, направленные на кристаллическую структуру, частично отклоняются под воздействием атомных электронов. Каждый из вторичных отклоненных пучков отходит под определенным углом и имеет определенную интенсивность. На выходе все они в комплексе образуют рисунок, характер которого зависит от позиции атомов в кристалле. Смысл изучения именно кристаллов — структур, состоящих из одинаковых элементов (элементарных ячеек) — очевиден. Множество упорядоченных в трех измерениях отдельных атомов дает множество одинаково направленных отклоненных пучков, что в итоге значительно увеличивает четкость дифракционной картины по сравнению с плоской решеткой.

Лауэ смог быстро построить математическую теорию, которая установила соответствие между экспериментально наблюдаемыми лауэграммами, с одной стороны, и реальными положениями атомов в кристаллах и длиной волны рентгеновского излучения, с другой. Тем самым была открыта очень перспективная область исследования (рентгеновская кристаллография), в которой рентгеновское излучение используется для определения структуры кристаллов, а в кристаллах известной структуры — для определения длин волн рентгеновского излучения. Анализ рентгеновского излучения, испускаемого атомами (рентгеновская спектроскопия), оказался весьма важным для понимания структуры атома. (До этих экспериментов немало исследователей пропускали рентгеновские лучи через кристаллы, но наблюдали они лишь те, которые проходили прямо и не обращали внимания на слабые интенсивности излучения, отклоненного под углом.)

Макс фон Лауэ продолжал плодотворно работать до конца своей жизни, он был одним из немногих ученых Германии, кто всегда и открыто выступал против фашизма. Но если сейчас поинтересоваться в Интернете его именем, то окажется, что более всего цитируется его афоризм, ставший расхожей фразой: «Образование — это то, что остается, когда все выученное забыто».

«За открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах» Макс фон Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике 1914 г. Эйнштейн, с его еще юношеской увлеченностью геометрией, называл открытие Лауэ «одним из наиболее красивых в физике» — фактически оно стало триумфом применения математики к физике: оправдались полностью абстрактные, казалось, рассуждения о симметриях и их роли во взаимодействиях атомов.

Оказалось, что для каждого радиоактивного вещества они могут быть разбиты на группы, так что все частицы из одной группы проходят одинаковое расстояние до поглощения, а это означало, что альфа-частицы испускаются только с определенными начальными скоростями.

Отсюда следовало, что каждое промежуточное дочернее ядро при последовательном каскаде распадов испускает альфа-частицу с определенной скоростью. Следовательно, по пройденному частицей расстоянию можно определить тип ядра, испустившего эту частицу. Это открытие принесло Брэггу международную известность, и в 1909 г. он возвратился в Англию. Здесь в течение нескольких следующих лет он проводит интенсивные исследования свойств рентгеновских и гамма-лучей, считая, что они больше похожи на поток частиц, чем на волны. Эту точку зрения, казалось, подкрепляло то, что в 1908 г., облучая рентгеновскими лучами вещества, он наблюдал возникновение потока электронов и немало современников ученого встали на его позицию.

Ее ошибочность обнаружилась четыре года спустя, после открытия фон Лауэ.

Разумеется, У. Г. Брэгг испытал чувство досады: его «корпускулярные» представления оказались несостоятельными. Тем не менее он решил повторить и продолжить исследования немецкого коллеги. Его помощником стал сын, Уильям Лоренс Брэгг (1890–1971), недавно окончивший Кембриджский университет у Дж. Дж. Томсона. Обсудив дифракцию рентгеновских лучей со своим отцом, Брэгг-младший пришел к убеждению, что волновая интерпретация Лауэ верна, но что описание деталей дифракции Лауэ неоправданно усложнил. Атомы в кристаллах располагаются в плоскостях (этого Лауэ не учел), и У. Л. Брэгг предположил, что дифракционная картина вызывается расположением этих атомных плоскостей в конкретной разновидности кристаллов. Если это так, то рентгеновскую дифракцию можно было использовать для более точного определения структуры кристаллов. В 1913 г. он опубликовал уравнение, позже названное законом Брэгга, описывающее углы, под которыми следует направить пучок рентгеновских лучей, чтобы определить строение кристалла по дифракционной картине рентгеновских лучей, отраженных от кристаллических плоскостей. Затем он использовал свое уравнение для анализа различных кристаллов.