О чем рассказывает свет - Сергей Суворов

Дифракционные спектры

Мы рассмотрели дифракционную картину одноцветных лучей. А какова будет картина, если мы дополнительно осветим решетку вторым, тоже одноцветным светом, но другой волны?

Для вторых лучей направления освещенности будут уже не φ1, φ2, φ3 и т. д., а какие-то другие, ибо у них другая длина волны и усиление света будет при другой разности хода. На экране наряду с линиями первого цвета на месте темных полос появятся яркие линии второго цвета.

Рис. 29. Так располагаются дифракционные спектры: Б — белая полоса; Ф — фиолетовые; К — красные концы спектров. Два левых и два правых крайних спектра частично налагаются друг на друга

Отсюда легко понять, что получится, если осветить дифракционную решетку белым (составным) светом. На экране появятся такие же цветные полосы, как и после прохождения белого света сквозь стеклянную призму. Дифракционная решетка разлагает белый свет на цветные полосы.

Дифракционная картина на экране будет выглядеть так. В центре расположится белая полоса. Это потому, что для лучей, идущих по перпендикуляру к решетке, разность хода волн между соседними лучами (1 и 2 и т. д.) равна нулю, они усиливают друг друга. А это справедливо для лучей всех цветов, поэтому лучи всех цветов будут в центре экрана усиливать друг друга. А совокупность всех цветов дает, как известно, белый цвет.

С обеих сторон от центральной полосы будут симметрично располагаться цветные спектральные полосы. Их будет по нескольку с обеих сторон. К центральной полосе они будут обращены фиолетовыми концами (рис. 29).

Так получаются спектры от дифракционной решетки.

Хорошие решетки должны содержать множество очень точно расположенных щелей, и изготовить их — дело большого искусства и точности. Очень точная «делительная машина» царапает алмазом на гладкой поверхности стекла правильные ряды штрихов. Штрихи — это препятствия для света, а тончайшие, не тронутые алмазом промежуточные полоски — это щели, сквозь которые проходит свет. Такие дифракционные решетки называют прозрачными.

Отражательные решетки

Пока мы имеем дело с прозрачными решетками, мы снова пользуемся стеклом, а оно не прозрачно для многих видов излучения. Мы все еще не ушли от трудностей. Поможет ли нам открытие дифракционных спектров?

Оказывается, поможет. Прозрачные дифракционные решетки можно заменить отражательными, изготовленными на отполированной поверхности металла.

Рис. 30. Отражательная дифракционная решетка работает так же, как и прозрачная

Как же работают отражательные дифракционные решетки? Почему в них образуются спектры?

Представим себе, что А1, А2, А3 и т. д. на рис. 30 обозначают уже не щели, а узкие зеркальные полоски; а идущие от решетки лучи 1,2, 3 и т. д. — отраженные лучи. Следовательно, падающие на решетку лучи шли до точек А1, А2 и т. д. не слева (как было, когда А1, А2 и т. д. были щелями), а справа и, упав на зеркальные полоски А1, А2 и т. д., отразились от них. Только в этом ходе лучей до точек А1, А2 и т. д. вся и разница. Наложение же отраженных лучей 1, 2, 3 и т. д. совершенно аналогично наложению лучей, прошедших сквозь щели. Все рассуждения, которые мы привели раньше, сохраняются в силе.

Таким образом, от отражательных решеток также можно получить дифракционные спектры. Но в чем различие? Различие в том, что при этом лучи уже не проходят сквозь материал, из которого изготовлена решетка, а отражаются от него. Для отражательной дифракционной решетки непрозрачность материала не играет роли. А это уже существенный выигрыш.

Новый метод получения спектров расширяет возможности анализа излучений. В этом случае дифракционные спектры можно получить не только для видимого света, но и для других излучений, в том числе и для ультрафиолетовых.

Поиски решетки для рентгеновских излучений

Однако в работе с дифракционными решетками встретились свои трудности.

Дело в том, что однотипной решетки для всех излучений подобрать нельзя. Для различных излучений нужны различные решетки. Ширина светлых штрихов решетки должна быть сравнима с длиной волны исследуемых излучений. Если она будет, скажем, в сотни и тысячи раз больше или меньше длины исследуемых волн, спектральной полосы на экране не получится. А ведь в видимом свете мы имеем дело с длинами волн в диапазоне 4—8 тысяч ангстрем или четыре — восемь стотысячных долей сантиметра. Такую малую величину невозможно себе и представить.

И все же когда человеку понадобилось технически выделить, отмерить такую величину в дифракционной решетке, он этого достиг. В современных дифракционных решетках с помощью специальной делительной машины наносится 1000—1500 штрихов на миллиметр; общая сумма светлых и темных полос достигает, следовательно, 2000—3000 на миллиметр. Нетрудно рассчитать, что ширина светлого штриха равна примерно 4000— 5000 ангстрем, т. е. того же порядка, как и длина волны видимого света!

Такая решетка будет подходящей для видимого света и ультрафиолетовых излучений. Но она не даст спектральных полос рентгеновских излучений. Для последних ее светлые штрихи слишком широки. Ширину их надо бы уменьшить в тысячи раз. Это значит, что на одном миллиметре пришлось бы нанести миллионы штрихов. Но тогда пришлось бы «штриховать» каждый атом. Но как это можно сделать? И вообще какой это имеет смысл?

Более пятнадцати лет для рентгеновского излучения не находили подходящей решетки. Никто поэтому не знал, проявляет ли оно волновые свойства. Шли даже споры о том, какова его природа. Одни говорили, что рентгеновское излучение — это волны, и для него все же можно найти подходящую решетку. Другие же утверждали, что это поток мельчайших частиц и не нужно пытаться определять длину несуществующей волны. В то время одни рентгеновские излучения от других отличали не по длине волны, а по тому, как глубоко они проникают в различные вещества. Те излучения, которые проникали глубже, называли «жесткими», а те, которые проникали не так глубоко, — «мягкими». Ясно, что эта характеристика была не очень точной.

Нашлась решетка и для рентгеновских излучений

Но нашлась дифракционная решетка и для рентгеновских излучений. Сама природа пришла здесь на помощь.

В конце XIX и начале XX века физики усиленно изучали строение твердых тел. Известно, что многие твердые тела являются кристаллами. Атомы в кристаллах расположены строго правильными рядами. Они составляют как бы естественные решетки. На рис. 31 изображена часть кристаллической" решетки поваренной соли.

Рис. 31. Так располагаются атомы в кристалле поваренной соли. Белыми шариками обозначены атомы натрия, черными — атомы хлора. Расстояния между слоями атомов около трех ангстрем

Русский ученый Е. С. Федоров еще в 1891 году опубликовал исследование «Симметрия правильных систем фигур», в котором теоретически рассчитал, какие кристаллические формы могут встретиться в природе. Он нашел 230 возможных форм. Почти три четверти века прошло с тех пор. Наука подтвердила все вычисления ученого, и новых форм кристаллов действительно найдено не было.

Зная формы кристаллов, физики вычислили, каковы расстояния между слоями атомов в кристаллических решетках. Оказалось, что эти расстояния равны примерно одному ангстрему. Эта величина сравнима с размерами атома. Такую частую штриховку нельзя нанести никакой делительной машиной.

Кристаллы и были использованы в качестве дифракционной решетки для рентгеновских излучений. В этой решетке «преграды» и «щели» — это сами атомы и промежутки между ними. А атомы лежат не на плоскости, а расположены в пространстве. Но рассчитать дифракцию от такой решетки можно. В 1912 году физики подвергли кристалл рентгеновскому облучению и получили его дифракционный спектр. Природа рентгеновских излучений была установлена: это электромагнитные излучения, как и радиоволны, как и видимый свет.

Два крупных физика-кристаллографа — русский ученый Ю. В. Вульф и англичанин В. Брэгг одновременно установили, как можно рассчитать длину волны рентгеновских излучений, если известно расстояние между слоями атомов в кристаллической решетке и дана самая картина спектра. Формула, выражающая эту связь, называется формулой Вульфа — Брэгга.

На примере развития техники спектрального анализа видно, что по мере того, как возникают трудности и ставится новая задача, находятся и пути ее разрешения.