1.10. Рентгеновские лучи, их получение и исследование. Опыты

1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå
è èññëåäîâàíèå. Îïûòû ïî îïðåäåëåíèþ
ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà ýëåêòðîíà
È
ññëåäîâàíèå êàòîäíûõ ëó÷åé ïîçâîëèëî äîêàçàòü
íå òîëüêî ñóùåñòâîâàíèå ýëåêòðîíîâ, íî è ïðîíèêíóòü â àòîìíûé ìèð, à òàêæå ñäåëàòü åùå îäíî î÷åíü âàæíîå
îòêðûòèå – îòêðûòèå Õ-ëó÷åé, êîòîðîå áûëî ñäåëàíî íåìåöêèì ôèçèêîì Ðåíòãåíîì, è ïîýòîìó èõ òåïåðü íàçûâàþò ðåíòãåíîâñêèìè ëó÷àìè.
Ïðîèçîøëî ýòî òàê. 3 íîÿáðÿ 1895 ãîäà, èçó÷àÿ êàòîäíûå
ëó÷è, Ðåíòãåí îáðàòèë âíèìàíèå, ÷òî òî ìåñòî íà ñòåíêå
êàòîäíîé òðóáêè, êóäà ïîïàäàëè êàòîäíûå ÷àñòèöû, ñàìî
ñòàíîâèëîñü èñòî÷íèêîì êàêîãî-òî ñèëüíî ïðîíèêàþùåãî
èçëó÷åíèÿ. Åãî îí ñîâåðøåííî ñëó÷àéíî îáíàðóæèë ïî ñâå÷åíèþ ýêðàíà ñ ôëþîðåñöèðóþùèì âåùåñòâîì, êîãäà ïîäíîñèë ýêðàí ñíàðóæè ê ýòîìó ìåñòó òðóáêè. Âíà÷àëå îí ïðåäïîëîæèë, ÷òî ýòî êàòîäíûå ëó÷è, ïðîøåäøèå ÷åðåç ñòåíêó
êàòîäíîé òðóáêè, íî ïîòîì ñîîáðàçèë, ÷òî ñòåíêà ñèëüíî
ïîãëîùàåò êàòîäíûå ëó÷è è îíè íå âûõîäÿò íàðóæó. Íàïðîòèâ, îáíàðóæåííîå èì èçëó÷åíèå îáëàäàëî êîëîññàëüíîé
ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ. Íàïðèìåð, îíî ñâîáîäíî ïðîõîäèëî ÷åðåç äâå êîëîäû èãðàëüíûõ êàðò, ÷åðåç åëîâóþ
äîñêó, ÷åðåç ðóêó ÷åëîâåêà è ò.ä. Ñàì Ðåíòãåí íàçâàë íàáëþäàåìîå èçëó÷åíèå Õ-ëó÷àìè. Îíè âîçíèêàëè íå òîëüêî îò
ñòåêëÿííîé ñòåíêè êàòîäíîé òðóáêè, íî è îò ëþáûõ äðóãèõ
òåë, ñòîÿùèõ íà ïóòè êàòîäíûõ ëó÷åé, ãäå òå òîðìîçèëèñü,
ò.å. êàòîäíûå ýëåêòðîíû òåðÿëè ñâîþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ, è ïî çàêîíó ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè èõ ýíåðãèÿ ïåðåõîäèëà
â ýíåðãèþ ïðîíèêàþùåãî èçëó÷åíèÿ.
Êàê ïîêàçàë îïûò, Õ-ëó÷è íå îòêëîíÿëèñü âî âíåøíèõ
ýëåêòðè÷åñêèõ è ìàãíèòíûõ ïîëÿõ. Îòñþäà ñëåäîâàëî, ÷òî
îíè íå íåñóò ñ ñîáîé ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà è íàïîìèíàþò
ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå, íî ñ ãîðàçäî áîëüøåé
ïðîíèêàþùåé ñïîñîáíîñòüþ, ÷åì ñâåòîâûå ëó÷è. Îíè òàêæå
ïðîèçâîäèëè íà ñâîåì ïóòè ñóùåñòâåííóþ èîíèçàöèþ,
îòðûâàÿ ýëåêòðîíû îò íåéòðàëüíûõ àòîìîâ. Ïîñëå äîëãèõ
ñïîðîâ ôèçèêè ïðèøëè ê åäèíîìó ìíåíèþ, ÷òî Õ-ëó÷è – ýòî
ýëåêòðîìàãíèòíûå âîëíû, íî ñ î÷åíü ìàëîé äëèíîé âîëíû.
6 2
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
Âûñêàçàííàÿ äîãàäêà áûëà îêîí÷àòåëüíî ïîäòâåðæäåíà
â 1912 ãîäó, â Ìþíõåíå, ãäå ó÷åíèêè Ðåíòãåíà ÷àñòî ñîáèðàëèñü è îáñóæäàëè âñå ôèçè÷åñêèå íîâîñòè. Îäíàæäû îäèí
èç ýòèõ ôèçèêîâ – Ìàêñ ôîí Ëàóý – âûñêàçàë òàêóþ ìûñëü:
«Âñåì èçâåñòíî, ÷òî îáûêíîâåííûå ëó÷è ñâåòà îáëàäàþò
òåì ñâîéñòâîì, ÷òî, îòðàæàÿñü îò äèôðàêöèîííîé ðåøåòêè,
îíè èñïûòûâàþò èíòåðôåðåíöèþ. Ñâåò, îòðàæàÿñü îò òàêîé ðåøåòêè, áóäåò íå âî âñåõ íàïðàâëåíèÿõ îäèíàêîâî ÿðîê.
 îäíèõ íàïðàâëåíèÿõ ñâåòîâûå âîëíû áóäóò óñèëèâàòü äðóã
äðóãà, à â äðóãèõ íàïðàâëåíèÿõ – îñëàáëÿòüñÿ. Åñëè Õ-ëó÷è
ïîõîæè íà ñâåò, íî òîëüêî èìåþò ãîðàçäî ìåíüøóþ äëèíó
âîëíû, òî äëÿ íèõ ñëåäîâàëî áû èçãîòîâèòü äèôðàêöèîííóþ
ðåøåòêó, êîòîðàÿ ñìîãëà áû ïðîèçâåñòè ýòîò ýôôåêò. Îäíàêî
òàêàÿ ðåøåòêà äîëæíà áûòü ïîêðûòà öàðàïèíàìè ãîðàçäî
áîëåå ãóñòî, ÷åì îáûêíîâåííàÿ äèôðàêöèîííàÿ ðåøåòêà äëÿ
ëó÷åé âèäèìîãî ñâåòà: âî ñòîëüêî ðàç, âî ñêîëüêî äëèíû âîëí
Õ-ëó÷åé ìåíüøå, ÷åì âèäèìûõ. Áîþñü, ÷òî íèêàêîé ìàñòåð
íå âîçüìåòñÿ ïðèãîòîâèòü òàêóþ ðåøåòêó. Íî, ê ñ÷àñòüþ,
òàêèå ðåøåòêè ñóùåñòâóþò â ïðèðîäå ñàìè ïî ñåáå, è èõ
ìîæíî íàéòè â ãîòîâîì âèäå. ß èìåþ â âèäó êðèñòàëëû. Èõ
áëåñòÿùàÿ è ãëàäêàÿ ïîâåðõíîñòü, èõ ïðàâèëüíîå ãåîìåòðè÷åñêîå î÷åðòàíèå – âñå ýòî íàâîäèò íà ìûñëü, ÷òî â íèõ
àòîìû ðàñïîëîæåíû ïðàâèëüíûìè ñëîÿìè, êàê øòðèõè â
äèôðàêöèîííîé ðåøåòêå, ñ ìàëåíüêèìè ðàññòîÿíèÿìè äðóã
îò äðóãà».
Äëÿ ïîíèìàíèÿ èäåè Ëàóý âñïîìíèì íåêîòîðûå ïîíÿòèÿ
èç êóðñà ôèçèêè ñðåäíåé øêîëû, ñâÿçàííûå ñ êîëåáàíèÿìè.
Íàïðèìåð, êîëåáàíèÿ â ñðåäå – çâóêîâûå èëè ýëåêòðîìàãíèòíûå – ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ ñ íåêîòîðîé ñêîðîñòüþ ñ, îáðàçóÿ âîëíû. Çà âðåìÿ t, ðàâíîå ïåðèîäó T, îíè ðàñïðîñòðàíÿþòñÿ íà ðàññòîÿíèå, ðàâíîå äëèíå âîëíû λ. Ïîýòîìó
ñ = λ/Ò = λv, ãäå v – ÷àñòîòà êîëåáàíèé.
Ïðè ðàññìîòðåíèè ðàñïðîñòðàíåíèÿ êîëåáàíèé â ñðåäå,
íàïðèìåð çâóêîâûõ, îêàçûâàåòñÿ, ÷òî îíè îãèáàþò ïðåïÿòñòâèÿ, âñòðå÷àþùèåñÿ íà ïóòè èõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ (äëÿ çâóêà
êàæäûé èç íàñ íàáëþäàë ýòî ìíîãîêðàòíî). ßâëåíèå òàêîãî
îãèáàíèÿ íàçûâàåòñÿ äèôðàêöèåé. Äëÿ ñâåòîâûõ, ò.å. äëÿ
ýëåêòðîìàãíèòíûõ êîëåáàíèé ÿâëåíèå äèôðàêöèè áûëî îáíàðóæåíî ñ òðóäîì, ò.ê. äëèíà âîëíû ó âèäèìîãî ñâåòà î÷åíü
ìàëà (ïîðÿäêà 10-5 ñì).
 ÕVII– XVIII âåêàõ â ôèçèêå êîíêóðèðîâàëè äâå òåîðèè
ñâåòîâûõ ÿâëåíèé. Îäíà èç íèõ – êîðïóñêóëÿðíàÿ, ñîãëàñíî
6 3
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
êîòîðîé ñâåò – ïîòîê îñîáûõ ñâåòîâûõ ÷àñòèö, êîòîðûå ëåòÿò ñ áîëüøîé ñêîðîñòüþ îò èñòî÷íèêà ñâåòà. Íüþòîí áûë
ïðèâåðæåíöåì ýòîé òåîðèè è ñìîã îáúÿñíèòü ïðàêòè÷åñêè
âñå èçâåñòíûå â òå âðåìåíà ñâåòîâûå ÿâëåíèÿ. Äðóãîé ôèçèê,
Ãþéãåíñ, ïðåäïîëîæèë, ÷òî ñâåò – êîëåáàíèÿ îñîáîé ñðåäû
– ñâåòîíîñíîãî ýôèðà. Ïîýòîìó äëÿ ñâåòà, êàê è äëÿ çâóêà,
ìû äîëæíû íàáëþäàòü äèôðàêöèþ.  ïåðâîé ÷åòâåðòè
XIX âåêà ôðàíöóçñêèé ôèçèê Ôðåíåëü (1788–1827) äîêàçàë
ñóùåñòâîâàíèå èíòåðôåðåíöèè äëÿ ñâåòà. Íàïîìíèì, ÷òî
èíòåðôåðåíöèÿ – ýòî ðåçóëüòàò ñëîæåíèÿ äâóõ âîëí îäèíàêîâîé ÷àñòîòû ñî ñòðîãî ïîñòîÿííîé ðàçíîñòüþ ôàç, íî ñ
ïðîèçâîëüíûì ñîîòíîøåíèåì àìïëèòóä. Ïðè èíòåðôåðåíöèè
âîëí ñ íóëåâîé ðàçíîñòüþ ôàç èëè ñ ðàçíîñòüþ, ðàâíîé ÷åòíîìó π, äâå âîëíû äàþò ðåçóëüòèðóþùóþ âîëíó òîé æå ÷àñòîòû, íî ñ ñóììàðíîé àìïëèòóäîé (åñëè àìïëèòóäû ðàâíû,
òî ñ óäâîåííîé), ÷òî äëÿ äâóõ âîëí ñ ðàâíûìè àìïëèòóäàìè
ïîêàçàíî íà ðèñ. 6à. Äâå æå âîëíû ðàâíîé ÷àñòîòû è ðàâíûõ
àìïëèòóä, íî èìåþùèå ðàçíîñòü ôàç, ðàâíóþ π èëè íå÷åòíîìó ÷èñëó π, ãàñÿò äðóã äðóãà ïðè ñëîæåíèè ïîëíîñòüþ,
êàê ýòî âèäíî íà ðèñ. 6á. Åñëè àìïëèòóäû íå ðàâíû, òî
àìïëèòóäà ðåçóëüòèðóþùåãî êîëåáàíèÿ Z ðàâíà èõ ðàçíîñòè.
Z
U
U=V
Z
V
à
á
Ðèñ. 6. à) Èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ êîãåðåíòíûõ âîëí U è V îäèíàêîâîé
äëèíû âîëíû è ðàâíûõ àìïëèòóä ïðè ñäâèãå ôàç, ðàâíûì íóëþ; á)
èíòåðôåðåíöèÿ äâóõ êîãåðåíòíûõ âîëí U è V, íî ïðè ñäâèãå ôàç,
ðàâíûì π, êîëåáàíèÿ ïîëíîñòüþ ïîãàøàþòñÿ, ò.å. Z = 0.
Çàìåòèì, ÷òî äëÿ íàáëþäåíèÿ óñòîé÷èâîé êàðòèíû èíòåðôåðåíöèè ñâåòà îò äâóõ èñòî÷íèêîâ íåîáõîäèìî, ÷òîáû
îíè áûëè êîãåðåíòíûìè, ò.å. ðàçíîñòü ôàç êîëåáàíèé ïîñòîÿííà âî âðåìåíè.
 îáû÷íûõ óñëîâèÿõ âîëíû, èçëó÷àåìûå äâóìÿ ðàçëè÷íûìè èñòî÷íèêàìè ñâåòà, ïðàêòè÷åñêè âñåãäà íå êîãåðåíòíû.  1822 ãîäó Ôðåíåëü ïðåäëîæèë î÷åíü óäà÷íûé èñêóñ6 4
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
ñòâåííûé ñïîñîá ðàçëîæåíèÿ ñâåòà îò îäíîãî èñòî÷íèêà íà
äâà åãî çåðêàëüíûõ èçîáðàæåíèÿ, êîòîðûå äàþò ñòðîãî êîãåðåíòíûå èçëó÷åíèÿ.
Çåðêàëà Ôðåíåëÿ – ýòî äâà ïëîñêèõ çåðêàëà, îáðàçóþùèõ ìåæäó ñîáîé óãîë, ëèøü íà íåñêîëüêî óãëîâûõ ìèíóò
îòëè÷àþùèéñÿ îò 180î. Èñòî÷íèê ñâåòà, îòðàæàÿñü â ýòèõ
çåðêàëàõ, äàåò äâà áëèçêî ðàñïîëîæåííûõ îòðàæåíèÿ S1 è
S2. Ëó÷è ñâåòà, âûõîäÿùèå èç íèõ, äàþò íà äîñòàòî÷íî óäàëåííîì ýêðàíå ðÿä òåìíûõ è ñâåòëûõ ïîëîñ. Ïðè ýòîì òåìíûå ïîëîñû ïîëó÷àþòñÿ, êîãäà ðàçíîñòü õîäà ðàâíî íå÷åòíîìó ÷èñëó ïîëóâîëí (2n – 1)λ/2, ãäå n – öåëûå ÷èñëà. Ïîëîñû ñ óñèëåíèåì ñâåòà ïîëó÷àþòñÿ äëÿ ðàçíîñòè õîäà â
öåëîå ÷èñëî äëèí âîëí, ðàâíîå nλ. Ïî ðàññòîÿíèþ ìåæäó
ñîñåäíèìè òåìíûìè è ñâåòëûìè ïîëîñàìè ìîæíî èç èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû îïðåäåëèòü äëèíó âîëíû ñâåòà.
{
S2
}
B
r2
r1
F2
δ
2
A
d
l
S1
F1
Ðèñ. 7. Îïûò Ôðåíåëÿ ñ äâóìÿ çåðêàëüíûìè èçîáðàæåíèÿìè S1 è
S2.
Èç ðèñ.7 âèäíî, ÷òî êâàäðàòû ðàññòîÿíèé r12 è r22 cîîòâåòñòâåííî îò èñòî÷íèêîâ S1 è S2 äî ýêðàíà, êîòîðûé óäàëåí
îò çåðêàë íà ðàññòîÿíèå l, ðàâíû:
r12 = l2 + (δ /2 + d/2)2,
r22 = l2 + (δ /2 – d/2)2.
Èñòî÷íèêè ðàñïîëîæåíû âûøå è íèæå öåíòðàëüíîé ñâåòëîé
ïîëîñû À, δ – ðàññòîÿíèå ìåæäó äâóìÿ ïåðâûìè òåìíûìè
ïîëîñàìè, d – ðàññòîÿíèå ìåæäó èçîáðàæåíèÿìè S1 è S2.
Äëÿ ðàçíîñòè ýòèõ êâàäðàòîâ ðàññòîÿíèé ïîëó÷àåì:
6 5
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
r12 – r22 = (r1 – r2)(r1 + r2) = δ d,
ïîñêîëüêó ïðèáëèæåííî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî r1+r2 = 2l. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ðàçíîñòè õîäà äëÿ òåìíîé ïîëîñû èìååì:
r1 – r2= δ d/2l = (λ /2),
ò.å. îêîí÷àòåëüíî
λ = δ d/l.
Åñëè èñòî÷íèê ìîíîõðîìàòè÷åñêèé, òî ïîëîñû ïîëó÷àþòñÿ ñîîòâåòñòâóþùåãî öâåòà. Åñëè èñïîëüçóåòñÿ áåëûé
ñâåò, òî ñâåòëûå ïîëîñû îêðàøåíû â ñïåêòðàëüíûå öâåòà.
Ïðèâåäåì çäåñü äëèíû âîëí ñâåòà â âèäèìîé ÷àñòè
ñïåêòðà, âûðàæåííûå â 10-9 ì èëè 10-7 ñì, ò.å. â íàíîìåòðàõ.
λñð
(â 10-7 ñì)
êðàñíûé îðàíæ. æåëòûé çåëåíûé ãîëóáîé ñèíèé
761
656
589
527
486
431
ôèîëåò.
357
Òàáë. 6. Òàáëèöà ñðåäíèõ âîëí â ñåìè ðàçëè÷íûõ ó÷àñòêàõ âèäèìîãî ñâåòà.
Àíàëîãè÷íî ìîæíî ïîëó÷èòü îáúÿñíåíèå ÿâëåíèÿ äèôðàêöèè ñâåòà. Ðàññìîòðèì äèôðàêöèîííóþ ðåøåòêó, êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñòåêëÿííóþ ïëàñòèíêó, íà êîòîðûé
íàíåñåíû ïàðàëëåëüíûå öàðàïèíû. Íà ðèñ. 8 îíà ïðåäñòàâëåíà â âèäå ïðÿìîé ëèíèè, íà êîòîðîé æèðíûìè øòðèõàìè
ïîêàçàíû öàðàïèíû øèðèíîé a è ìåæäó íèìè ïðîïóñêè øèðèíîé b, ãäå íàõîäÿòñÿ íåïîâðåæäåííûå ïðîçðà÷íûå ó÷àñòêè
ñòåêëà. Íà ðåøåòêó ñâåðõó ïàäàåò ïàðàëëåëüíûé ïó÷îê ñâåòà. Çà÷åðíåííûå ó÷àñòêè íåïðîçðà÷íû, à ÷åðåç íåçàöàðàïàííûå ó÷àñòêè ñâåò ïðîõîäèò âåðòèêàëüíî âíèç. Äëÿ íåãî èç
âñåõ ïðîøåäøèõ ÷åðåç ðàçíûå ùåëè âíèç ëó÷åé ðàçíîñòü
ôàç ðàâíà íóëþ. Ëèíçà, êîòîðàÿ ëåæèò íà ïóòè ïðîøåäøèõ
ëó÷åé (ñì. åå èçîáðàæåíèå ïóíêòèðîì íà ðèñ. 8), ñîáèðàåò
òàêèå ëó÷è â öåíòðàëüíûé ìàêñèìóì 0, êîòîðûé èçîáðàæåí
ïîñåðåäèíå ëèíçû ïîä íåé.
Íà êàæäîé ïðîçðà÷íîé ùåëè ïî åå êðàÿì ïðîèñõîäèò
îãèáàíèå ñâåòà ïîä ðàçíûìè óãëàìè ê âåðòèêàëè. Ïðè íåêîòîðîì óãëå ϕ, êîòîðûé äàåò ðàçíîñòü õîäà äëÿ ëó÷åé îò îäíîé
èç ïðîçðà÷íûõ ùåëåé è ñîñåäíèõ, ðàâíóþ λ, ëèíçà ñîáåðåò
6 6
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
a b
2λ
λλ
-2é ìàêñ
ìàêñ
-1é ìàêñ
0é ìàêñ
+1é ìàêñ
+2é
Ðèñ. 8. Ïîëîæåíèå ãëàâíûõ ìàêñèìóìîâ ñâåòà, ïðîøåäøåãî
äèôðàêöèîííóþ ðåøåòêó.
ýòè äèôðàãèðîâàííûå ëó÷è â ïåðâûé ìàêñèìóì, ëåæàùèé
ñëåâà è ñïðàâà îò öåíòðàëüíîãî (îíè èçîáðàæåíû âíèçó ïîä
ëèíçîé íà ðèñ. 8). Äëÿ áîëüøåãî óãëà ϕ ðàçíîñòü õîäà áóäåò
óæå ðàâíà óäâîåííîé äëèíå âîëíû 2λ, è ëèíçà ñîáåðåò îòêëîíåííûå ëó÷è âî âòîðûå ìàêñèìóìû, ëåæàùèå äàëüøå
îò öåíòðàëüíîãî.
Äëÿ ñâåòëûõ ïîëîñ íà ýêðàíå, ñîîòâåòñòâóþùèõ ìàêñèìóìàì, èìååì (a+b)sinϕ = nλ, ãäå n = 0, ä1, ä2, ... Ïðè
n > 0 èíòåíñèâíîñòè ïîëîñ áóäóò ìåíüøèìè, ÷åì ó ïðåäûäóùèõ.
Âîò î òàêèõ äèôðàêöèîííûõ ðåøåòêàõ è ãîâîðèë Ëàóý.
 ñëó÷àå êðèñòàëëà, ïî åãî èäåå, äîëæíà ïðîèñõîäèòü èíòåðôåðåíöèÿ ëó÷åé, îòðàæåííûõ îò ðàçëè÷íûõ ïàðàëëåëüíûõ
ñëîåâ àòîìîâ êðèñòàëëà, êîòîðûå â ïðàâèëüíîì ïîðÿäêå óñåÿíû àòîìàìè.
Èäåÿ Ëàóý áûëà èñïîëüçîâàíà ìîëîäûì ýêñïåðèìåíòàòîðîì Êíèïïèíãîì. Õîòÿ åãî ïåðâàÿ ïîïûòêà áûëà íåóäà÷íîé, çàòåì îíà áûëà ïîâòîðåíà âìåñòå ñ íèì åãî òîâàðèùåì
6 7
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
ïî ðàáîòå Ôðèäðèõîì. Ñõåìà èõ óñòàíîâêè ïîêàçàíà íà ðèñ.
9à, à ðåçóëüòàò èõ ïåðâîãî óäà÷íîãî îïûòà, âûïîëíåíîãî íà
ìîíîêðèñòàëëå öèíêîâîé îáìàíêè (ZnS), – íà ðèñ. 9á.
Ðèñ. 9à. Ñõåìà îïûòíîé óñòàíîâêè Ôðèäðèõà è Êíèïïèíãà: R –
ðåíòãåíîâñêàÿ òðóáêà; ÐÐ – ñòåíêà ñâèíöîâîãî ÿùèêà; S – îòâåðñòèå äëÿ ïó÷êà ëó÷åé, èäóùèõ èç òðóáêè; Ê – êðèñòàëë ZnS, F –
ýêðàí ñ ôîòî.
Ðèñ. 9á. Ðåíòãåíîãðàììà, ïîëó÷åííàÿ äëÿ ìîíîêðèñòàëà ZnS.
Âîêðóã öåíòðàëüíîãî ïÿòíà, êîòîðîå îñòàâèëè ëó÷è, ïðîøåäøèå êðèñòàëë áåç ðàññåÿíèÿ, ðàñïîëîæèëèñü â ïðàâèëüíîì ïîðÿäêå ÷åðíûå ïÿòíûøêè. Ýòî áûëè ñëåäû ëó÷åé, îòðà6 8
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
çèâøèõñÿ îò âíóòðåííèõ ãðàíåé êðèñòàëëà, ò.å. îò ïàðàëëåëüíûõ ïëîñêîñòåé, óïîðÿäî÷åííî óñåÿííûõ àòîìàìè â ïðîñòðàíñòâå, â âèäå àòîìíîé ðåøåòêè, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 10.
Èòàê, îïûò Ôðèäðèõà è Êíèïïèíãà äîêàçàë èäåþ Ëàóý î
ïðàâèëüíîì ðàñïîëîæåíèè àòîìîâ âî âñåõ êðèñòàëëàõ è äàë
âîçìîæíîñòü îïðåäåëèòü äëèíû âîëí Õ-ëó÷åé. Çäåñü ôèçèêè
óáèëè äâóõ çàéöåâ îäíèì âûñòðåëîì. Âî-ïåðâûõ, îíè äîêàçàëè âîëíîâóþ ïðèðîäó ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, êîòîðûå ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé òàêèå æå ýëåêòðîìàãíèòíûå êîëåáàíèÿ, êàê
è ñâåò, òîëüêî ñî çíà÷èòåëüíî áîëåå êîðîòêîé äëèíîé âîëíû.
Âî-âòîðûõ, íàãëÿäíî ïîêàçàëè, ÷òî êðèñòàëë èìååò ïðàâèëüíîå ãåîìåòðè÷åñêîå ðàñïîëîæåíèå àòîìîâ (ðèñ. 10à), ãäå â
êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåíà ñòðóêòóðà ðåøåòêè êðèñòàëëà
êàìåííîé ñîëè NaCl.
a
à
á
Ðèñ. 10 à) Ïîëîæåíèÿ àòîìîâ õëîðà (áåëûå êðóæêè) è íàòðèÿ
(÷åðíûå êðóæêè) â ïðîñòîé êóáè÷åñêîé ðåøåòêå ìîíîêðèñòàëëà
ïîâàðåííîé ñîëè, ïîëó÷åííîé èç äèôðàêöèîííîé êàðòèíû ïðè
ðàññåÿíèè ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé ïî ìåòîäó Ëàóý (à – ðàññòîÿíèå
ìåæäó áëèæàéøèìè îäíîðîäíûìè àòîìàìè), á) ðåíòãåíîãðàììà, ïîëó÷åííàÿ Ôðèäðèõîì è Êíèïïèíãîì ïî ìåòîäó Ëàóý íà
ýòîì æå ìîíîêðèñòàëëå NaCl.
Òåìíûå è ñâåòëûå êðóæêè èçîáðàæàþò ñîîòâåòñòâåííî
àòîìû íàòðèÿ è õëîðà, îáðàçóþùèå ïðîñòðàíñòâåííóþ
ïðîñòóþ êóáè÷åñêóþ ðåøåòêó. Ðåøåòêè àòîìîâ íàòðèÿ è
õëîðà êàê áû âäâèíóòû îäíà â äðóãóþ, ïðè÷åì ðàññòîÿíèå
a = 2,814×10-8 ñì. Íà ðèñ.10á ïîêàçàíà òèïè÷íàÿ ðåíòãåíîãðàììà êðèñòàëëà NaCl, ïîëó÷åííàÿ ïî ìåòîäó Ëàóý.
6 9
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
Òàêèì æå îáðàçîì îïðåäåëÿëèñü è ïàðàìåòðû äðóãèõ
êðèñòàëëîâ. Ïîñëå ýòèõ îïûòîâ ìíîãèå òåëà, êîòîðûå ðàíåå
ñ÷èòàëèñü àìîðôíûìè, ñòàëè èìåíîâàòü ìåëêîçåðíèñòûìè
ïîëèêðèñòàëëàìè. Äëèíà âîëíû Õ-ëó÷åé îêàçàëàñü ëåæàùåé
â èíòåðâàëå îò 1 äî 15 íàíîìåòðîâ (èëè îò 0,1 äî 0,15 Å , ãäå
Å – àíãñòðåì, ðàâíûé 10-8 ñì), îíà â òûñÿ÷è ðàç ìåíüøå,
÷åì äëèíà âîëí âèäèìîãî ñâåòà.
 ðåíòãåíîãðàôèè èñïîëüçóþòñÿ òðè ðàçëè÷íûõ ìåòîäà
èçìåðåíèé.
Ïåðâûé ìåòîä – ýòî òîëüêî ÷òî ðàññìîòðåííûé ìåòîä Ëàóý.  íåì íåïîäâèæíûé ìîíîêðèñòàëë ïðîñâå÷èâàåòñÿ
íå ìîíîõðîìàòè÷åñêèì, à «áåëûì» ðåíòãåíîâñêèì ñâåòîì,
ñ äëèíîé âîëíû â äîñòàòî÷íî øèðîêîì èíòåðâàëå ÷àñòîò.
Çàìåòèì, ÷òî êàæäàÿ ñèñòåìà ïàðàëëåëüíûõ ïëîñêîñòåé â
íåïîäâèæíîì êðèñòàëëå, óñåÿííàÿ àòîìàìè, êàê áû âûáèðàåò ñåáå èç «áåëîãî» ñâåòà ëó÷ ñ äëèíîé âîëíû, êîòîðàÿ óäîâëåòâîðÿåò èíòåðôåðåíöèîííûì óñëîâèÿì ìàêñèìóìà è äàåò
ïîä îïðåäåëåííûì óãëîì îòðàæåíèå. Îíî è îñòàâëÿåò ñîîòâåòñòâóþùåå ïÿòíî íà ôîòîïëàñòíêå ýêðàíà.
Âòîðîé ìåòîä, ïîëó÷èâøèé íàçâàíèå ìåòîäà ÂóëüôàÁðåããà, èñïîëüçóåò ìîíîõðîìàòè÷åñêèé ïó÷îê Õ-ëó÷åé ñ
îïðåäåëåííîé äëèíîé âîëíû, êîòîðûé îòðàæàåòñÿ îò õîðîøî
ïðèãîòîâëåííîé ïëîñêîé ïîâåðõíîñòè èññëåäóåìîãî ìîíîêðèñòàëëà. Ðàññìàòðèâàÿ àòîìû êàê öåíòðû íîâûõ êîãåðåíòíûõ ýëåìåíòàðíûõ âîëí, ìû ïîëó÷àåì äëÿ êàæäîé èç ïëîñêîñòåé îòðàæåíèå íóëåâîãî ïîðÿäêà ïîä óãëîì îòðàæåíèÿ,
ðàâíûì óãëó ïàäåíèÿ. Ïðè ýòîì îòðàæåíèå îò îäíîé åäèíñòâåííîé ïëîñêîñòè áóäåò ïðîèñõîäèòü îäèíàêîâî äëÿ ëþáîé
äëèíû âîëíû, òàê êàê äëèíû ïóòåé äëÿ âñåõ ëó÷åé ðàâíû,
ñëåäîâàòåëüíî, è ðàçíîñòè õîäà âñåãäà ðàâíû íóëþ. Íî îòðàæåíèå ïðîèñõîäèò íå îò îäíîé âíåøíåé ïëîñêîñòè, à îò ñèñòåìû ðàâíîîòñòîÿùèõ ïëîñêîñòåé, è êàðòèíà óñëîæíÿåòñÿ
èç-çà èíòåðôåðåíöèè êîãåðåíòíûõ ëó÷åé, îòðàæåííûõ îò ðàçëè÷íûõ ïëîñêîñòåé. Äàëåå, îòðàæåíèå íà ñàìîì äåëå ïîëó÷èòñÿ íå äëÿ ëþáîé äëèíû âîëíû, à òîëüêî äëÿ íåêîòîðûõ,
âïîëíå îïðåäåëåííûõ. Äåéñòâèòåëüíî, ëó÷è (ðèñ. 11),
îòðàæàÿñü îò ïëîñêîñòåé I è II, èìåþò ðàçíîñòü õîäà, ðàâíóþ
2dsinθ, ãäå θ – óãîë ñêîëüæåíèÿ, êîòîðûé äîïîëíèòåëåí äî
90î ê óãëó ïàäåíèÿ ϕ:
π
θ = −ϕ
2
7 0
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
Ïîýòîìó îòðàæåíèå áóäåò èìåòü ìåñòî òîëüêî äëÿ òåõ äëèí
âîëí, äëÿ êîòîðûõ ýòà ðàçíîñòü õîäà ðàâíà öåëîìó ÷èñëó
äëèí âîëí λ. Òàêèì îáðàçîì, äëÿ èíòåðôåðåíöèîííîãî îòðàæåíèÿ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé äîëæíî áûòü ñîáëþäåíî óñëîâèå:
2dsinθ = nλ (n = 1,2,3,4,....).
Ýòî è åñòü çíàìåíèòàÿ ôîðìóëà Áðåããà-Âóëüôà, ëåæàùàÿ
â îñíîâå âñåé ñïåêòðîñêîïèè ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé.
Ðèñ. 11. Ê âûâîäó ôîðìóëû Áðýããà-Âóëüôà. d – ðàññòîÿíèå ìåæäó
áëèæàøèìè ñîñåäíèìè àòîìíûìè ïëîñêîñòÿìè â ìîíîêðèñòàëëå.
Òðåòèé ìåòîä â ðåíòãåíîãðàôèè – ýòî ìåòîä ñ ïîëèêðèñòàëëè÷åñêèìè îáðàçöàìè, èëè ñ îáðàçöàìè èç ñïðåññîâàííûõ ïîðîøêîâ, ðàçðàáîòàííûé Äåáàåì è Øåðåðîì.
 íåì îáðàçåö ìåëêîçåðíèñòîãî ïîëèêðèñòàëëè÷åñêîãî
ìàòåðèàëà èëè îáðàçåö èç ñïðåññîâàííîãî ïîðîøêà ïðîñâå÷èâàåòñÿ â íåïîäâèæíîì ñîñòîÿíèè â ìîíîõðîìàòè÷åñêîì
ïó÷êå ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé. Èñïîëüçóåìàÿ äëèíà âîëíû
ìîíîõðîìàòè÷åñêîãî ñâåòà êàê áû «íàõîäèò» ñåáå â ïîëèêðèñòàëëå èëè ïîðîøêå êðèñòàëëèêè ñ íóæíîé îðèåíòàöèåé,
óäîâëåòâîðÿþùåé óñëîâèþ Áðåããà-Âóëüôà, è ïîä ñîîòâåòñòâóþùèì óãëîì íà ôîòîïëàñòèíêå ïîëó÷àåòñÿ ñëåä îòðàæåíèÿ. Òàêèå ñëåäû îáðàçóþò ðÿä êîíöåíòðè÷åñêèõ êîëåö –
òàê íàçûâàåìûå äåáàåãðàììû (ðèñ.12à,á).
 1914 ãîäó àíãëèéñêèé ôèçèê Ìîçëè èññëåäîâàë õàðàêòåðèñòè÷åñêèå ðåíòãåíîâñêèå ñïåêòðàëüíûå ëèíèè îò
õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ ñ ïîðÿäêîâûì íîìåðîì Z èç òàáëèöû
7 1
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
Ìåíäåëååâà. Ñîãëàñíî Ìîçëè, êîðåíü êâàäðàòíûé èç ÷àñòîòû ñîîòâåòñòâóþùåé ñïåêòðàëüíîé ëèíèè ÿâëÿåòñÿ
ëèíåéíîé ôóíêöèåé ïîðÿäêîâîãî íîìåðà Z ïî ôîðìóëå:
ν = a( Z − 1).
A
E
D
A
B
B
F
0
C
C
D
Ðàçâåðíóòàÿ ôîòîïëåíêà
à
Ðèñ. 12 à) Ñõåìà
óñòàíîâêè äëÿ ïîëó÷åíèÿ
ðåíòãåíîãðàìì ïî
ìåòîäó Äåáàÿ-Øåðåðà
íà ïîðîøêîîáðàçíûõ
îáðàçöàõ.
á) Ðåíòãåíîãðàììà,
ïîëó÷åííàÿ ïî ýòîìó
ìåòîäó, â âèäå
êîíöåíòðè÷åñêèõ êîëåö
íà ôîòîïëåíêå.
á
Èìåííî áëàãîäàðÿ çàêîíó Ìîçëè áûëè îòêðûòû íîâûå õèìè÷åñêèå ýëåìåíòû.
Ðàññêàç îá îòêðûòèè ýëåêòðîíà è ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé
áûë áû íåïîëíûì, åñëè íå îñòàíîâèòüñÿ íà îïèñàíèè ýêñïå7 2
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
ðèìåíòîâ àìåðèêàíñêîãî ôèçèêà Ð. Ìèëëèêåíà, ïðîèçâåäåííûõ â 1911 ãîäó â ÑØÀ, è ðóññêîãî ôèçèêà À.Ô. Èîôôå – â
1912 ãîäó â Ðîññèè, êîòîðûå, èñïîëüçóÿ èîíèçàöèîííóþ
ñïîñîáíîñòü ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé, ñóìåëè íåïîñðåäñòâåííî èçìåðèòü ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä ýëåêòðîíà, à íå åãî
óäåëüíûé çàðÿä.
1
1
+ + + + + + + + +
5
6
2
3
- - - - - - -
4
2
Ðèñ. 13. Ñõåìà îïûòíîé óñòàíîâêè Ð. Ìèëëèêåíà äëÿ îïðåäåëåíèÿ
âåëè÷èíû ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà ýëåêòðîíà. 1 è 2 – ïëàñòèíû
ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà; 4 – ðåíòãåíîâñêàÿ òðóáêà; 3 – ýêðàí è
îòâåðñòèå äëÿ ëó÷åé; 6 – ëèíçà äëÿ ôîêóñèðîâêè; 5 – âîëüòîâà
äóãà äëÿ îñâåùåíèÿ.
Ñïîñîá èçìåðåíèé, èñïîëüçóåìûõ â ýòèõ ýêñïåðèìåíòàõ, çàêëþ÷àëñÿ â ñëåäóþùåì: â ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ïëîñêèìè ïëàñòèíàìè ýëåêòðè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà 1-1 è 2-2
(ðèñ. 13) âáðûçãèâàëèñü ìåëü÷àéøèå êàïåëüêè ìàñëà. Äåéñòâóÿ çàñëîíêîé 3, ìîæíî áûëî íà êîðîòêîå âðåìÿ ïîäâåðãíóòü âîçäóõ â êîíäåíñàòîðå äåéñòâèþ ðåíòãåíîâñêèõ ëó÷åé
îò òðóáêè 4. Âîçäóõ ìåæäó ïëàñòèíàìè êîíäåíñàòîðà èîíèçîâàëñÿ, è åñëè îäíà èç ìàñëÿíûõ êàïåëåê ñîåäèíÿëàñü ñ
êàêèì-íèáóäü èîíîì, òî çàðÿæàëàñü ýëåêòðè÷åñêè. Åñëè íà
êàïåëüêó áóäåò äåéñòâîâàòü òîëüêî ñèëà òÿæåñòè, òî îíà
áóäåò ìåäëåííî ïàäàòü âåðòèêàëüíî âíèç. Îñâåùàÿ ïðîñòðàíñòâî âíóòðè êîíäåíñàòîðà âîëüòîâîé äóãîé 5, ýêñïåðèìåíòàòîð ìîã ñëåäèòü â ìèêðîñêîï çà ïàäåíèåì êàïåëüêè.
Ïðè çàðÿäå êîíäåíñàòîðà â äâèæåíèè êàïåëüêè ïðîèñõîäèëî
èçìåíåíèå: åñëè, íàïðèìåð, íèæíÿÿ ïëàñòèíà êîíäåíñàòîðà
áûëà çàðÿæåíà îòðèöàòåëüíî, à âåðõíÿÿ ïëàñòèíà ïîëîæèòåëüíî, òî êàïåëüêà íà÷èíàëà ïðèòÿãèâàòüñÿ ê âåðõíåé ïëàñòèíå êîíäåíñàòîðà, ïîýòîìó ïàäåíèå êàïåëüêè çàìåäëÿëîñü
è äàæå ïåðåõîäèëî â äâèæåíèå âåðòèêàëüíî ââåðõ. Ìàññó
êàïåëüêè, êîíå÷íî, íåëüçÿ áûëî îïðåäåëèòü îáû÷íûì âçâåøèâàíèåì, íî åå ìîæíî áûëî âû÷èñëèòü, èçìåðèâ ñêîðîñòü
7 3
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
ïàäåíèÿ êàïåëüêè â îòñóòñòâèå ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ è ñêîðîñòü åå äâèæåíèÿ â èçâåñòíîì ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå. Îêàçàëîñü, ÷òî â ðàçíûõ ñëó÷àÿõ çàðÿäû êàïåëåê áûëè ðàçëè÷íûå,
íî âñåãäà êðàòíûå îäíîé è òîé æå íàèìåíüøåé âåëè÷èíå,
êîòîðàÿ áûëà ðàâíà
å = 1,602×10-19 êóëîí = 4,807×10-10 CGSE.
Èíûìè ñëîâàìè, çàðÿä áûë ðàâåí å, 2å, 3å, è ò.ä., ãäå
âåëè÷èíà å è åñòü çàðÿä ýëåêòðîíà.  îïûòàõ Èîôôå âìåñòî
ìàñëÿíûõ êàïåëåê èñïîëüçîâàëèñü ìåëü÷àéøèå ÷àñòè÷êè
öèíêà, êîòîðûå îñâåùàëèñü óëüòðàôèîëåòîâûì ñâåòîì. Ïîä
äåéñòâèåì ñâåòà íà öèíêîâûõ ïûëèíêàõ ïðîèñõîäèë ôîòîýôôåêò è ïûëèíêà òåðÿëà ýëåêòðîíû. Íàáëþäàÿ èçìåíåíèå
äâèæåíèÿ ÷àñòè÷åê öèíêà, Èîôôå ñìîã îïðåäåëèòü âåëè÷èíó òåðÿåìîãî ïûëèíêîé îòðèöàòåëüíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî
çàðÿäà, ïðè÷åì ïîñëåäíèé îêàçàëñÿ êðàòåí âåëè÷èíå ýëåêòðîííîãî çàðÿäà -å. Òî÷íîñòü îïûòîâ Ìèëëèêåíà-Èîôôå áûëà òàêîé, ÷òî îøèáêà íå ïðåâûøàëà òûñÿ÷íîé äîëè îò èçìåðÿåìîé âåëè÷èíû. Ïîñêîëüêó åùå äî îïûòîâ Ìèëëèêåíà
áûëî èçâåñòíî èç çàêîíîâ ýëåêòðîëèçà, ÷òî
e
N Ae =
= 96500 кулон/г ,
mH
(íàïîìíèì çäåñü, ÷òî NA – ýòî ÷èñëî Àâîãàäðî, mH – ìàññà
àòîìà âîäîðîäà), à óäåëüíûé çàðÿä ýëåêòðîíà,
e/me = 5,307×1017 CGSE/ã = 1,69×108 êóëîí/ã,
òî òåïåðü, êîãäà å èçâåñòíî íåïîñðåäñòâåííî èç îïûòà, ìîæíî èç âñåõ ýòèõ óðàâíåíèé âû÷èñëèòü íåçàâèñèìî çíà÷åíèÿ
mH= 1,602×10-24ã, me= 9,109×10-28ã è NA= 6,02×1023.
Î òîì, êàê ìàëà ìàññà ýëåêòðîíà, ìîæíî ñóäèòü èç ñëåäóþùåãî ñîïîñòàâëåíèÿ: îòíîøåíèå ìàññû ýëåêòðîíà ê îäíîìó ãðàììó ìàññû ïî÷òè â äâà ðàçà ìåíüøå, ÷åì îòíîøåíèå îäíîãî ãðàììà ê ìàññå çåìíîãî øàðà. È â ýòîì ñëó÷àå
ôèçèêè îêàçàëèñü èñêóñíûìè äåòåêòèâàìè: îíè ñìîãëè âçâåñèòü ñàìûé ìàëûé îáúåêò íà Çåìëå. Ñàìîå ïîðàçèòåëüíîå
çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî çàðÿä è ìàññà ýëåêòðîíà áûëè îïðåäåëåíû íå íà îñíîâå ðàñïëûâ÷àòûõ ãèïîòåç, à ñ ïîìîùüþ
ñòðîãîãî ýêñïåðèìåíòà è â ñîâåðøåííî íå ñâÿçàííûõ ìåæäó
ñîáîé îïûòàõ Ïåððåíà, îïûòàõ ñ êàòîäíûìè ëó÷àìè è îïûòàõ Ìèëëèêåíà-Èîôôå.
7 4
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
Èòàê, ïîñëå óêàçàííûõ îïûòîâ ôèçèêè ïðèøëè ê îêîí÷àòåëüíîìó âûâîäó, ÷òî ñóùåñòâóåò äèñêðåòíûé ýëåìåíòàðíûé
çàðÿä å, ÷òî îñòàåòñÿ ïîêà çàãàäî÷íûì ÿâëåíèåì ïðèðîäû,
ñîñðåäîòî÷åííûé â î÷åíü ìàëîì îáúåìå.
Ïðèðîäà òàêîãî «êâàíòîâàíèÿ» ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà
äî ñèõ ïîð íå âûÿñíåíà. Îäíàêî èìåþòñÿ íåêîòîðûå òåîðåòè÷åñêèå óêàçàíèÿ íà âîçìîæíûå îáúÿñíåíèÿ ýòîé çàãàäêè.
Ïåðâîå ñâÿçàíî ñ ïîÿâëåíèåì â òåîðåòè÷åñêîé ôèçèêå
èäåè î òàê íàçûâàåìîì ìàãíèòíîì ìîíîïîëå. Ìû íèêîãäà
íå íàáëþäàëè íà îïûòå ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ, è ëþáîé ìàãíèò,
âïëîòü äî ýëåìåíòàðíîé ÷àñòèöû, âñåãäà èìååò äâà ïîëþñà,
ðàâíûå ïî àáñîëþòíîé âåëè÷èíå è ïðîòèâîïîëîæíûå ïî
çíàêó. Îäíàêî â ïðèíöèïå çàêîíû êëàññè÷åñêîé ýëåêòðîäèíàìèêè Ìàêñâåëëà äîïóñêàþò ñóùåñòâîâàíèå ÷àñòèö ñ
îäíèì ìàãíèòíûì ïîëþñîì, ò.å. ìàãíèòíûõ ìîíîïîëåé, è â
íåé ìîæíî ïîëó÷èòü îïðåäåëåííûå óðàâíåíèÿ ïîëÿ è
óðàâíåíèÿ äâèæåíèÿ äëÿ ýòèõ ÷àñòèö. Êëàññè÷åñêàÿ ýëåêòðîäèíàìèêà íå äàåò íèêàêèõ çàïðåòîâ íà ñóùåñòâîâàíèå òàêèõ
÷àñòèö, íå äàåò çàïðåòîâ è êâàíòîâàÿ ýëåêòðîäèíàìèêà.
Êðîìå òîãî, â êâàíòîâîé òåîðèè, êàê ïîêàçàë Äèðàê, ïîëó÷àåòñÿ âïîëíå îïðåäåëåííàÿ ñâÿçü ìåæäó ìàãíèòíûì çàðÿäîì µ ìîíîïîëÿ è ýëåêòðè÷åñêèì çàðÿäîì. Îíà èìååò âèä:
åµ = (1/2π)nhc, ãäå n – öåëûå ïîëîæèòåëüíûå è îòðèöàòåëüíûå ÷èñëà. Åñëè ìàãíèòíûé ìîíîïîëü ñ çàðÿäîì µ ñóùåñòâóåò, òî èç ýòîé ôîðìóëû ñëåäóåò, ÷òî âñå ýëåêòðè÷åñêè çàðÿæåííûå ÷àñòèöû èìåþò ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä, êðàòíûé âåëè÷èíå hc/2πµ. Äàííîé ñâÿçè ìîæíî ïðèäàòü áîëåå ïðîñòîé âèä,
åñëè èñïîëüçîâàòü áåçðàçìåðíóþ âåëè÷èíó – ïîñòîÿííóþ
òîíêîé ñòðóêòóðû α = 2πå2/hc = 1/137, òîãäà µ = nhce/2πå2=
= ne/2α = 68,5nå, ò.å. ìàãíèòíûé çàðÿä ìîæåò áûòü êðàòíûì ýëåêòðè÷åñêîìó çàðÿäó, óìíîæåííîìó íà 68,5. Îòñþäà
ñëåäóåò, ÷òî ìèíèìàëüíûé ìàãíèòíûé çàðÿä ïðè n = 1 ïî÷òè
íà äâà ïîðÿäêà áîëüøå ýëåêòðè÷åñêîãî. Ïîýòîìó, íàïðèìåð,
åãî ñëåä â êàìåðå Âèëüñîíà áûë áû î÷åíü òîëñòûì (åãî è
íàçâàëè, ïðàâäà íå ïîëó÷èâ åãî, «æèðíîé ãóñåíèöåé»). Ïîèñêè
ìîíîïîëÿ ïðîäîëæàþòñÿ äî ñèõ ïîð, à âîïðîñ î åãî ïðèíöèïèàëüíîì ñóùåñòâîâàíèè õîðîøî âïèñûâàåòñÿ â ñîâðåìåííóþ êâàíòîâóþ òåîðèþ ïîëÿ.
Âòîðîå óêàçàíèå íà âîçìîæíîñòü íå öåëî÷èñëåííûõ
(â åäèíèöàõ å) ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ñîâåðøåííî íåîæèäàííî ôèçèêè ïîëó÷èëè â äâóõ ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ – â êâàíòîâîé òåîðèè ïîëÿ è â êâàíòîâîé òåîðèè êîíäåíñèðîâàííûõ
7 5
1.10. Ðåíòãåíîâñêèå ëó÷è, èõ ïîëó÷åíèå è èññëåäîâàíèå...
ìàêðîâåùåñòâ. Ñ òåîðåòè÷åñêèì âûâîäîì-ïðåäñêàçàíèåì
î äðîáíîñòè ýôôåêòèâíîãî ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà ôèçèêè
âñòðåòèëèñü ïðè ðàññìîòðåíèè êâàíòîâîãî ýôôåêòà Õîëëà â
ìåòàëëàõ, ÷òî ñåé÷àñ ïîäòâåðæäåíî ýêñïåðèìåíòàëüíî.
Îòìåòèì åùå îäèí ìîìåíò â ñâÿçè ñ ïðîáëåìîé ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà. Íàïðèìåð, êîãäà ìû ðàñ÷åñûâàåì ñóõèå
âîëîñû ðàñ÷åñêîé èç äèýëåêòðèêà, òî îíà çàðÿæàåòñÿ. Íî
ýòîò çàðÿä – ñëàáûé: íà êàæäûé ïðèîáðåòåííûé èç-çà òðåíèÿ
ýëåêòðîí â ðàñ÷åñêå ïðèõîäèòñÿ ìèëëèîí ìèëëèîíîâ íåéòðàëüíûõ àòîìîâ. Ê ñ÷àñòüþ äëÿ íàñ, ïðåäìåòû îêðóæàþùåãî íàñ ìèðà ïî÷òè âñåãäà ýëåêòðè÷åñêè íåéòðàëüíû. Åñëè
áû ðàñ÷åñêà íàýëåêòðèçîâàëàñü äî òàêîé ñòåïåíè, ÷òî íà
êàæäûé åå àòîì ïðèõîäèëñÿ ëèøíèé ýëåêòðîí, òî ïîñëåäñòâèÿ äëÿ íàñ áûëè áû óæàñíûìè: ìåæäó ÷åëîâåêîì è ðàñ÷åñêîé ïðîèçîøåë áû ìîùíûé ñìåðòåëüíûé ðàçðÿä ìîëíèè
è îíà ïðåâðàòèëàñü â ñâåðõîïàñíîå îðóæèå.
Èçâåñòíî, ÷òî â ìàñøòàáàõ ìèêðîìèðà ýëåêòðè÷åñêèå
ñèëû ïðåâîñõîäÿò ãðàâèòàöèîííûå. Íî â ìàñøòàáàõ ìàêðîìèðà âñå ïðîèñõîäèò íàîáîðîò: ãðàâèòàöèîííûå ñèëû ñêëàäûâàþòñÿ è ïîýòîìó ãîñïîäñòâóþò ïî âåëè÷èíå âî âçàèìîäåéñòâèÿõ ìåæäó ìàêðîòåëàìè, îñîáåííî â Êîñìîñå. Ñëåäîâàòåëüíî, èç-çà ïî÷òè òî÷íîãî áàëàíñà ïîëîæèòåëüíûõ è îòðèöàòåëüíûõ ýëåêòðè÷åñêèõ çàðÿäîâ ýëåêòðîìàãíèòíûå ñèëû â ìàêðîìàñøòàáàõ çà ìàëûì èñêëþ÷åíèåì (íàïðèìåð,
ïîÿâëåíèå ãðîç â àòìîñôåðå èëè â ýëåêòðîìàãíèòíûõ ìàøèíàõ è ïðèáîðàõ) ïî÷òè íå íàáëþäàþòñÿ.
7 6