Удивительное открытие — жидкость обладает структурой

Макс Лауэ

Молодого физика-теоретика Макса Лауэ (1879-1960) озарила счастливая мысль пропустить через кристалл вещества рентгеновские лучи, или, как их тогда называли, Х-лучи.

Практическую реализацию своих идей Лауэ осуществил совместно с С. Фридрихом и П. Книппингом. На фотопластинке ученые обнаружили строго симметричное чередование темных пятен. Картина превзошла все ожидания и самые смелые предположения. Было сделано открытие поистине уникального явления -дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и экспериментально установлена пространственная периодичность в атомно-молекулярной структуре взятых образцов.
За разработку нового метода тридцатипятилетний Макс Лауэ был удостоин Нобелевской премии. Исследователи впервые получили возможность проникнуть в атомно-молекулярный мир вещества и наблюдать интереснейшие закономерности в структуре кристаллов, в строении аморфных тел, жидкостей и даже отдельных молекул.
Рентгеноструктурный метод открывал сказочные перспективы для изучения строения кристаллов, давая возможность обнаружить симметрию в размещении атомов, молекул и расстояния, указывающие на их упорядоченную периодичность в кристаллической решетке.

Кристаллы стали самым популярным предметом исследований. Их просвечивали загадочными лучами вдоль и поперек, стремясь разглядеть "насквозь" атомно-молекулярную структуру твердых тел.

На определенном этапе экспериментаторы все чаще стали задумываться над тем, как с помощью рентгеновских лучей раскрыть строение жидкостей. Многих интересовало: будут ли найдены определенные закономерности на рентгенограммах воды, бензола и других жидких веществ?

Петер ДебайВ 1916 году известный физик, лауреат Нобелевской премии (1936) П. Дебай и его друг и коллега П. Шеррер приступили к исследованию жидкостей. Первым объектом, выбранным для этих целей, стал бензол. Серия выполненных опытов обрадовала ученых. Оказалось, что на рентгенограммах жидкостей получается картина, близкая к той, которую удалось обнаружить для мелкокристаллических порошков. Следовательно, в их строении имеется много общего. Значит, жидкость по своей структуре ближе к твердым телам, а не к газам, как это предполагал Ван-дер-Ваальс и вслед за ним другие ученые, которые так уверовали в утверждения Ван-дер-Ваальса, что об опытах П. Дебая и слышать не хотели. Но П. Дебай был человеком непреклонным и, почувствовав, что истина в его руках, ставил все новые и новые эксперименты и даже отважился создать весьма оригинальную теорию строения жидкости.
Так был нанесен первый удар незыблемой ранее теории Ван-дер-Ваальса, в соответствии с которой частицы, составляющие жидкость, размещаются так же, как и в газе.

Однако поначалу расшифровка рентгенограмм производилась довольно произвольно, и успех во многом зависел от интуиции исследователя. Необходим был строгий математический метод для обработки рентгенограмм; только в этом случае можно было надеяться на получение конкретных выводов о строении жидких тел. Но это оказалось совсем не таким простым делом, как думалось. Потребовались усилия многих исследователей на протяжении почти десяти лет, прежде чем была решена эта важная проблема.

С начала 20-х годов XX века представления о строении жидкости формируются уже на основе экспериментальных данных рентгеноструктурного анализа.  Ученые все больше убеждаются в исключительном значении открытия П. Дебая и П. Шеррера, и мало кто осмеливается вслух отрицать так называемый "ближний порядок" в размещении частиц, составляющих жидкость.

В чем же заключается ближний порядок? Если за начало координат взять какую-либо молекулу жидкости, то лишь ее ближайшие соседи-молекулы будут размещаться в определенном порядке. С увеличением расстояния этот порядок становится менее четким. Картина как бы размывается, и если расстояние оказывается достаточно большим, положение частиц в воде становится полностью неупорядоченным, или размытым.

Открытие ближнего порядка значительно облегчило понимание многих структурных особенностей жидкофазного состояния. С этого момента начинается новый этап Б изучении жидкостей и растворов.

Дифракционная картина на рентгенограммах, по мнению П. Дебая, определяется внутримолекулярным рассеянием: рентгеновские лучи рассеиваются атомами, входящими в молекулу той или иной жидкости, а точнее, как выяснилось позднее, электронными оболочками атомов и молекул. Получается, что для жидкости наряду с внутримолекулярным рассеянием существенную роль играет межмолекулярное рассеяние. Электронные оболочки атомов, входящих в состав нескольких молекул, создают сложную картину на рентгенограммах, расшифровка которых на первых парах была весьма затруднительной. Поэтому Дебай и Шеррер не смогли связать дифракционную картину со структурой молекулы изучаемого ими бензола. "Как указывал сам Дебай,- писал P. Джеймс в 1950 году,-их неудача объяснялась тем, что внутренние интерференционные эффекты, обусловленные закономерным расположением атомов в молекуле, маскируются межмолекулярными эффектами. Последние обусловлены тем, что вследствие конечных размеров молекулы в жидкости чаще всего имеются некоторые определенные, заключенные в известных пределах, межмолекулярные расстояния. Существование таких эффектов было впервые ясно показано Кеезомом и де Смедтом".

Продолжая исследования в этом направлении, известный американский физик Г. Стюарт установил, что распределение интенсивности дифракционных колец зависит от формы и положения молекул.

Эти факторы в жидкости влияют на ослабление интенсивности интерференционных полос при увеличении угла дифракции. Для одноатомных жидкостей, состоящих из атомов одного сорта, будет наблюдаться быстрое затухание интенсивности линий дифракционных колец. Общая картина определяется кратчайшим межатомным расстоянием, повторяющимся менее отчетливо при разных порядках интерференции. Дифракция рентгеновских лучей обусловлена неоднородностью среды, поэтому дифрагированные пучки появляются в определенных направлениях как результат интерференции вторичного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии первичного излучения с атомами вещества, а именно с их электронными оболочками.

Стюарт считал, что жидкости состоят из мелкокристаллических тел, плавающих в жидкой среде. Области, содержащие мелкие кристаллики, представляют собой большие упорядоченные группы молекул, разделенные прослойками из менее упорядоченных скоплений. Быстрое затухание дифракционных колец на рентгенограммах жидкостей, следовательно, можно объяснить постоянным изменением упорядоченных областей.

Таким образом, получается, что именно в 1916 году были разработаны принципиально новые представления о строении жидкостей. Рентгеноструктурный анализ показал, что жидкости существенно отличаются от газов, поскольку в размещении частиц, составляющих жидкость, наблюдается некоторая регулярность,- ближний порядок.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *