И эта параллельность, конечно, не была случайной. Она говорит об актуальности проблемы, ее большой научной важности. Не удивительно, что результаты, близкие к выводам Мандельштама и Рамана в конце апреля 1928 года, независимо друг от друга получили также французские ученые Рокар и Кабан. Через некоторое время ученые вспомнили, что еще в 1923 году чешский физик Смекаль теоретически предсказал то же явление. Вслед за работой Смекаля появились теоретические изыскания Крамерса, Гейзенберга, Шредингера.
По-видимому, лишь недостатком научной информации можно объяснить тот факт, что ученые многих стран трудились над решением одной и той же задачи, даже не зная об этом.
Тридцать семь лет спустя
Исследования комбинационного рассеяния не только открыли новую главу в науке о свете. Вместе с тем они дали мощное оружие технике. Промышленность получила отличный способ изучения свойств вещества.
Ведь частоты комбинационного рассеяния света являются отпечатками, которые накладываются на свет молекулами среды, рассеивающей свет. И в разных веществах эти отпечатки неодинаковы. Именно это дало право академику Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света «языком молекул». Тем, кто сумеет прочитать следы молекул на лучах света, определить состав рассеянного света, молекулы, пользуясь этим языком, расскажут о тайнах своего строения.
На негативе фотоснимка комбинационного спектра нет ничего, кроме линий различной черноты. Но по этой фотографии специалист вычислит частоты внутримолекулярных колебаний, которые появились в рассеянном свете после прохождения его через вещество. Снимок расскажет о многих дотоле неведомых сторонах внутренней жизни молекул: об их строении, о силах, связывающих атомы в молекулы, об относительных движениях атомов. Учась расшифровывать спектрограммы комбинационного рассеяния, физики учились понимать своеобразный «световой язык», которым молекулы рассказывают о себе. Так новое открытие позволило глубже проникать во внутреннее строение молекул.
В наши дни физики пользуются комбинационным рассеянием для изучения строения жидкостей, кристаллов и стекловидных веществ. Химики определяют этим методом структуру различных соединений.
Методы исследования вещества, использующие явление комбинационного рассеяния света, разработали сотрудники лаборатории Физического института имени П.Н. Лебедева Академии наук СССР, которой руководил академик Ландсберг.
Эти методы позволяют в условиях заводской лаборатории быстро и точно производить количественные и качественные анализы авиационных бензинов, продуктов крекинга, продуктов переработки нефти и многих других сложных органических жидкостей. Для этого достаточно осветить исследуемое вещество и определить спектрографом состав рассеянного им света. Кажется, очень просто. Но прежде чем этот метод оказался действительно удобным и быстрым, ученым пришлось немало поработать над созданием точной, чувствительной аппаратуры. И вот почему.
Из общего количества световой энергии, поступающей в изучаемое вещество, лишь ничтожная часть – примерно одна десятимиллиардная – приходится на долю рассеянного света. А на комбинационное рассеяние редко приходится даже два-три процента этой величины. Видимо, поэтому само комбинационное рассеяние долго оставалось незамеченным. И не удивительно, что получение первых фотографий комбинационного рассеяния требовало экспозиций, продолжавшихся десятки часов.
Современная же аппаратура, созданная в нашей стране, позволяет получить комбинационный спектр чистых веществ в течение нескольких минут, а иногда и секунд! Даже для анализа сложных смесей, в которые отдельные вещества входят в количестве нескольких процентов, обычно достаточно экспозиции, не превышающей часа.
Прошло тридцать семь лет с тех пор, как язык молекул, записанный на фотопластинках, был открыт, расшифрован и понят Мандельштамом и Ландсбергом, Раманом и Кришнаном. С тех пор во всем мире ведется упорная работа по составлению «словаря» языка молекул, который оптики называют каталогом частот комбинационного рассеяния. Когда такой каталог будет составлен, расшифровка спектрограмм значительно облегчится и комбинационное рассеяние света еще полнее станет на службу науке и индустрии.
Наперегонки со светом
Некоторые из великих открытий,
продвинувших науку, можно назвать «легкими»,
однако не в смысле того, что их легко было сделать,
а в том смысле, что, когда они совершены,
их легко понять каждому.
Чарльз ДАРВИН
В темноте
Глаз, оторвавшись от прибора, встречал лишь тьму. В абсолютной темноте работали дни за днями молодые энтузиасты, изучавшие тридцать семь лет назад природу света.
Изучать свет в темноте! Что может быть нелепее этого! Но тем не менее, в начале тридцатых годов в здании Академии наук на набережной Невы ученые ежедневно входили в совершенно затемненные комнаты и подолгу сидели в них, обдумывая предстоящие опыты. Да, они сидели в абсолютной темноте и ничего не делали. Они готовились. Подготавливали свои глаза. Лишь через час они ощупью подходили к заранее отрегулированным приборам и приступали к работе.
Опыт начинался. Они смотрели и видели то, что совершенно невидимо для остальных людей. Они видели свечение столь слабое, что его не мог воспринять ни один из приборов, существовавших в то время.
Это были сотрудники и ученики Сергея Ивановича Вавилова, доказавшего, что человеческий глаз после часового пребывания в темноте способен видеть мельчайшие порции света, измеряемые всего десятками световых квантов.
Советские оптики настойчиво изучали люминесценцию – странную способность некоторых веществ самопроизвольно излучать слабый таинственный свет.
Такое самосвечение наблюдают не только ученые. Помните светлячков, то вспыхивающих, то исчезающих в ночной листве? А тому, кто бывал летней ночью на южном море, не забыть серебристой вуали, окутывающей тело пловца, подводную часть лодки, превращающей в фейерверк взбитые веслом каскады брызг.
Светящиеся в темноте стрелки и цифры часов, а также авиационных приборов... Портреты и пейзажи, писанные светящимися красками... Почему все это светится? Какая невидимая рука поджигает вещество изнутри?
Эту-то загадку и разгадывали Вавилов и его ученики.
Странное свечение
...Молодые люди, впервые приходящие сегодня на лекции профессора члена-корреспондента Академии наук СССР Павла Алексеевича Черенкова, обычно не знают, что курс экспериментальной физики им будет читать ученый, открывший эффект Черенкова. Ведь для молодежи эффект Черенкова так же стар, как и эффект Доплера и другие явления, волнующие воображение многих поколений студентов.
Но вот звонок, и в аудиторию входит спортивного вида человек. Лекция его увлекает так, как может увлечь лишь рассказ активного участника интересных событий...
В 1932 году, в то время, когда начинающий физик Павел Черенков изучал свечение растворов ураниловых солей под влиянием гамма-лучей радия.
многие стороны явления люминесценции были неясны. Всякое оригинальное наблюдение имело здесь цену. Но основным было выявление новых, неизвестных ранее закономерностей.
Приходя утром в лабораторию и подготавливая глаза. Черенков обдумывал очередной опыт.
Как будет изменяться свечение знакомого раствора, если добавить в него еще соли? Что будет, если разбавить раствор водой? Конечно, яркость свечения должна измениться. Но важен точный закон. Необходимо установить зависимость яркости свечения от концентрации светящегося вещества. Эксперимент начинался.
По мере ослабления свечения приходилось принимать меры для того, чтобы опыт был безупречным. Ведь под действием радиоактивного излучения могли светиться и стенки сосуда, в котором налит раствор. Но просто вылить раствор и изучать свечение стенок пустого сосуда нельзя. Условия при переходе света из стекла в воздух резко отличаются от условий его перехода из стекла в раствор.
Решение принято. Нужно заменить раствор чистой водой. По всем оптическим свойствам, кроме, конечно, способности к люминесценции, вода очень мало отличается от слабого раствора.
Опыт поставлен. В сосуде дистиллированная вода. Но, оказывается, свечение наблюдается и в этом случае!
Что это, недостаток методики или результат переутомления глаз? А может быть, дистиллированная вода, которой он пользовался, недостаточно чиста? Прежде всего, спокойствие и контрольные опыты.
Все начинается сначала. Он берет тщательно очищенную воду и заменяет стеклянный сосуд на платиновый. Вода дважды дистиллирована и практически не содержит примесей. Он терпеливо сидит в темноте, восстанавливая остроту зрения. Опыт начинается и приводит его к тому же. В растворе нет ни следа ураниловой соли, но свечение сохраняется. Ему не удается отделить мешающий свет от люминесценции раствора. Что же дальше?
Темперамент против факта
Проходят дни за днями. Слухи о странных опытах Черенкова облетели весь институт. Товарищи встречают его то сочувственным, то насмешливым вопросом: – Все еще светится?
Молодые и старые физики захаживали в лабораторию к Черенкову, чтобы собственными глазами увидеть странное свечение, которое никто еще не замечал. Приходили поразмыслить, дать совет.
Черенков не находил себе места. Ведь, столкнувшись с неожиданным в результатах опыта, ученые обычно меньше всего думают, что эти странности принесут им Нобелевскую премию. Прежде всего экспериментатор ищет возможную ошибку. И он будет повторять неудавшийся опыт до тех пор, пока не устранит погрешность или не убедится, что его наблюдения не результат ошибки, а скрытая дотоле закономерность.
Проходили недели, месяцы, а Черенков все бился над загадкой непонятного, упорного свечения. Что же делать, как быть дальше?
Здесь возможно множество путей. Выбор их зависит от индивидуальности ученого, от его кругозора, от интуиции, наконец от темперамента. Многие советуют Черенкову бросить эту чепуху, отдохнуть, заняться другим.
Но Черенков хочет прежде всего ясности. Он должен узнать, почему не удался его опыт, чем вызывается свечение, которое он видит. Почему светится дистиллированная вода? Ведь до сих пор считалось, что она не способна к люминесценции. Однако... Он не может ничего сказать, пока не убедится в том, что вода действительно чиста. Может быть, все дело в стекле? Может быть, стекло, хотя и слабо, растворяется в воде и дает это свечение?
Черенков тщательно сушит свой прибор и наливает в него другую жидкость. Все то же. Долой стекло! Он берет чистейший платиновый тигель. Под его дно он кладет ампулу с большим, чем раньше, количеством радия. Гамма-лучи от ста четырех миллиграммов радия проходят через дно тигля в жидкость. Сверху на жидкость направлен объектив прибора. Жидкость предельно чиста, а свечение почти не ослабело. Теперь он уверен: яркое свечение концентрированных растворов – это люминесценция. Слабое свечение чистых жидкостей имеет другую природу. Но он продолжает свои исследования.
И вот молодой ученый докладывает о своей работе. Шестнадцать чистейших жидкостей – дистиллированная вода, различные спирты, толуол и другие – обнаружили слабое свечение под действием гамма-лучей радия. В отличие от ранее известного это свечение не распространяется во все стороны подобно свету от лампы, а видно лишь в узком конусе, вдоль направления гамма-лучей.