Макс Теодор Фелик Фон Лауэ (1879–1960)

Умозрительная, хотя и основанная на наблюдении реально существующего явления – спайности, теория решетчатого строения кристаллов Аюи только через 130 лет получила свое экспериментальное подтверждение. В 1912 г. немецкий физик-теоретик М. Лауэ предсказал, а В. Фридрих и П. Книппинг обнаружили дифракцию рентгеновских лучей в кристаллах. Поскольку рентгеновское излучение имеет электромагнитную природу, то дифракция может происходить только на пространственной решетке кристалла, т. е. на цепочках атомов или ионов, расстояния между которыми сравнимы с длиной волны рентгеновского излучения. Реальность пространственной структуры была доказана.

Интересно отметить, что за 17 лет до открытия дифракции рентгеновских лучей похожие эксперименты ставил Рентген. Он справедливо считал, что при правильном расположении атомов, имеющем место в кристалле, рассеяние и поглощение должны зависеть от направления. Он искал это явление, прижимая фотографическую пластинку к кристаллу, но все его попытки дали отрицательный результат. Естественно, что наблюдать дифракционную картину надо было на больших расстояниях от кристалла, как это делается в опытах с дифракционной решеткой. Тем не менее в своих публикациях он неоднократно повторял свою уверенность в существовании эффекта.

Как была экспериментально обнаружена дифракция рентгеновских лучей на кристаллах? В Мюнхенском университете была заведена традиция обсуждать за чашкой кофе работы, которые докладывались на теоретическом семинаре Зоммерфельда. На одной из этих бесед после доклада Эвальда об оптических свойствах правильно расположенной решетки из электронов Лауэ высказал мысль, что если длина волны рентгеновских лучей только немногим меньше, чем расстояние между атомами в кристаллической решетке, то кристалл должен представлять для этих лучей то же самое, чем для обычного света является дифракционная решетка. Действительно, расстояние между ближайшими атомами в кристаллах порядка одного ангстрема, что несложно рассчитать из плотности и величины массы атомов. Именно такого порядка длина волны излучения, испускаемого рентгеновской трубкой. Другой участник беседы, Э. Вагнер, наоборот, считал это утверждение фантастическим, так как в кристалле ряды атомов расположены хотя и на равных расстояниях, но не в одном направлении, параллельно друг другу, как в оптической решетке, а по всем направлениям, взаимно перекрещиваясь. Лауэ все же утверждал, что какая-то правильность должна сказаться. Для решения этого спора решено было привлечь Фридриха, работавшего у Рентгена с рентгеновскими лучами. Он должен был поставить на пути рентгеновских лучей кристалл сульфата меди и посмотреть, не отразят ли его атомные слои лучи на помещенную над кристаллом фотографическую пластинку. Несколько дней непрерывного действия рентгеновских лучей не дали никакого результата, пока работавший в той же комнате Книппинг не поставил фотопластинку на пути лучей, прошедших сквозь кристалл, вместо того, чтобы помещать ее сверху. Стремясь привести опыт к скорейшему окончанию, он и поставил фотопластинку в прямой пучок, разумно предполагая, что на пластинке должен был появиться во всяком случае прямой след от рентгеновских лучей. Оказалось, однако, что вокруг этого следа от лучей, прошедших сквозь кристалл, появились еще правильно расположенные пятна-зайчики, отраженные от определенных атомных слоев внутри кристалла.

На рисунке 2 приведены дифрактограммы, впервые полученные Лауэ, Книппингом и Фридрихом. Теперь они называются лауэграммами.

Рис. 2. Дифрактограммы, впервые полученные Лауэ, Книппингом и Фридрихом

За две недели Лауэ сумел учесть трехмерность пространственной кристаллической решетки, и его теоретическое описание прекрасно совпало с экспериментальными результатами. В 1914 г. Лауэ был удостоен за эти работы Нобелевской премии по физике. Чувство справедливости не позволило ему претендовать на всю полагающуюся денежную сумму. Треть ее он публично уступил своим помощникам по экспериментам.

Современные экспериментальные методы дают возможность «непосредственно увидеть» расположение атомов кристалла в пространстве. На рисунке 3 показано, как выглядит кристалл вольфрама в ионном микроскопе и как выглядит в туннельном микроскопе распределение электронной плотности на поверхности кристалла висмута, которое повторяет его кристаллическую структуру.

Рис. 3. Изображение кристаллов вольфрама и висмута