Я начну свой рассказ с трагического инцидента, который произошел в 1906 году, когда величайший австрийский физик Людвиг Больцман покончил с собой. Это произошло из-за того, что он, будучи психически не вполне здоровым человеком, очень остро реагировал на научную критику, критику оппонентов, среди которых был великий Пуанкаре. Они указывали Больцману на то, что существование атомов, которое присутствует в неявном или явном виде во всех теоретических построениях Больцмана, до сих пор не доказано. Тогда, в 1906 году, существование атомов оставалось гипотезой. И Больцман очень остро воспринял эту критику и решил уйти из этого мира. Через несколько лет существование атомов было доказано. Таким образом, Больцману оставалось потерпеть всего лишь несколько лет.

Это было сделано еще до первых определений кристаллических структур, но первые определения кристаллических структур показали, где эти атомы находятся в пространстве, в структуре каждого материала. Эти первые определения кристаллических структур стали по-настоящему революцией, сенсацией. Сделано это было при помощи рентгеновских лучей.

Рекомендуем по этой теме:
14519
Тяжелая рука энтропии

Первый большой шаг был сделан великим немецким физиком Максом фон Лауэ. В 1912 году Макс фон Лауэ, который, кстати, был теоретиком, а не экспериментатором, сообразил, что длина рентгеновского излучения должна быть значительно короче, чем длина оптического излучения, также она может оказаться соизмеримой с размерами атомов, если атомы существуют. И если исходить из предположения, что атомы существуют, что они расположены периодически в кристаллических структурах и что размер атома по порядку величины сопоставим с длиной волны рентгеновского излучения, то, как теоретик, Лауэ прекрасно понимал, что должно наблюдаться явление дифракции. То есть вы пропускаете рентгеновский луч через кристаллическую структуру, но он проходит не только по прямой сквозь кристалл, но часть интенсивности отклоняется на строго определенные направления со строго определенной интенсивностью.

Лауэ, повторюсь, был теоретиком, сам он экспериментов не делал, поэтому попросил двух ассистентов Мюнхенского университета по фамилиям Книппинг и Фридрих — тогда он работал в Мюнхене — проделать такой эксперимент: взять кристалл чего-то, посветить на него рентгеновским лучом и на фотопленку зарегистрировать, что произойдет.

Но случилась одна любопытная коллизия — вернее, почти случилась. Дело в том, что начальником Фридриха и Книппинга был Арнольд Зоммерфельд, великий физик, работавший в то же самое время в том же самом месте — в Мюнхене. Зоммерфельд тоже был теоретиком, и он прикинул интенсивность теплового движения, скажем так, амплитуду теплового движения атомов при комнатной температуре. И по его первичным оценкам оказывалось, что атомы в ходе теплового движения будут отклоняться настолько сильно, что упорядоченное расположение атомов будет в значительной степени нарушено, а дифракция, может быть, наблюдаться не будет. И Зоммерфельд, огорошенный такого рода оценками, запретил Фридриху и Книппингу сотрудничать с Лауэ. Но они его не послушались, и это сыграло огромную роль в научном прогрессе. Они провели эксперимент, наблюдали явление дифракции, как Лауэ и ожидал, вопреки оценкам Зоммерфельда. Зоммерфельд позже понял, в чем была ошибка его расчетов, и не наказывал Фридриха и Книппинга. Наоборот, он был даже счастлив, что оказался неправ и что его ассистенты на самом деле помогли Лауэ совершить это великое открытие.

Открытие было великим. Возможно, эксперимент Лауэ был самым простым нобелевским экспериментом: всего-навсего был кристалл, рентгеновский лучи и фотопластинка, наблюдалось явление дифракции. Но сколько всего было доказано одним этим опытом! Было доказано, что вещество действительно дискретно, что оно состоит из атомов и что в кристаллах атомы действительно расположены периодическим образом.

Но в каждой бочке меда есть своя ложка дегтя. Бочкой меда было то, что Лауэ мгновенно получил Нобелевскую премию, но ложкой дегтя было то, что Лауэ отвлекся, вместо того чтобы попытаться найти способ определения положения атомов. В принципе, дифракционная картинка дает представление, она дает возможность извлечь информацию о том, как же расположены атомы в кристаллической структуре. Но Лауэ, вместо того чтобы заниматься этим, отвлекся на изучение самих рентгеновских лучей. Это особо далеко его не привело, но позже он горько жалел, что позволил себе отвлечься, потому что пальму первенства у него из-под носа утащили двое англичан — Уильям Генри Брэгг и его юный сын, Уильям Лоренс Брэгг. Именно эти люди в 1913 году опубликовали расшифровки первых кристаллических структур.

Поначалу они пробовали изучать структуру медного купороса, но она оказалась им не по зубам, так как была слишком сложной. Затем они переключились на более простые объекты, такие как алмаз, цинковая обманка (сульфид цинка) и столовая поваренная соль. Эти структуры были опубликованы, произвели по-настоящему большую сенсацию. Вслед за ними были опубликованы структуры десятков различных кристаллических объектов. Были сформулированы правила, которым подчиняются кристаллические структуры. Было доказано, что все кристаллические структуры полностью описываются 230 пространственными группами Федорова. Это был триумф теории Федорова. Но, напомню, сам Федоров рентгеноструктурного анализа так и не понял и так и не принял до конца своих дней.

Несколько позже оказалось, что дифрагируют на кристаллических структурах не только рентгеновские лучи, но также нейтроны, электроны и даже гамма-лучи. И вот дифракцию всех этих частиц (или волн — называйте как хотите), мы помним про корпускулярно-волновой дуализм, поэтому все эти рентгеновские лучи, и электроны, и нейроны, и гамма-лучи можно рассматривать и как частицы, и как волны. Но дифракция их может быть использована и уже использовалась для расшифровок кристаллических структур. Но используется в несколько разных ситуациях. Например, рентгеновские лучи плохо видят позиции атомов водорода, атомы водорода слабо рассеивают рентгеновские лучи, в то время как нейтроны очень хорошо годятся для определения позиции атомов водорода и так далее. Электронная дифракция, например, очень хороша для исследования структуры поверхностей кристаллов, потому что электроны очень сильно поглощаются веществом и не могут идти вглубь вещества, но как раз поверхностный слой они очень хорошо детально видят.

Первое определение кристаллических структур было сделано отцом и сыном Брэггами. Про этих людей можно рассказывать очень много. Это был идеальный тандем: старший Уильям Генри Брэгг был очень дотошным, он был настоящим таким аналитиком, педантом; младший Уильям Лоуренс Брэгг был генератором идей, очень интуитивный человек, очень широкий во многих отношениях. Начальником в этом тандеме, как ни странно, был сын. И когда они оба получили Нобелевскую премию в 1915 году сразу же после своих работ, Уильям Лоуренс Брэгг тогда оказался самым молодым нобелевским лауреатом по физике, и до сих пор этот рекорд не побит. Многие люди считали, что главным в этом тандеме является отец, и это обижало Уильяма Лоуренса Брэгга — младшего достаточно долгое время. Уильям Лоуренс Брэгг сделал блестящую карьеру: он был профессором в Кембридже, он был директором Королевского института Великобритании в Лондоне, он прославился чтением огромного числа научно-популярных лекций, блестящих научно-популярных лекций. И он еще прославился тем, что в его лаборатории были сделаны многие пионерские работы по использованию дифракции рентгеновских лучей — в частности, именно его молодыми сотрудниками была впервые решена структура ДНК.

Рекомендуем по этой теме:
2805
Новые минералы и как их открывают

Я хочу подвести итог этого этапа становления нашей науки. Когда люди научились расшифровывать кристаллические структуры, то не только было окончательно подтверждено атомарное строение вещества, но люди смогли впервые визуализировать химию материалов, впервые смогли понять, по каким принципам устроено вещество, и начали уже высказывать первые догадки о том, как это строение определяет свойства.