Создателями квантовой механики были молодые талантливые исследователи. Они внесли в физику новые оригинальные идеи, так что их научная деятельность полностью отвечала критериям Нобелевского фонда. И не удивительно, что большинство из них довольно скоро стали лауреатами Нобелевской премии. В 1933 г. Нобелевская премия по физике была присуждена Вернеру Гейзенбергу за создание квантовой механики и открытие в связи с этим аллотропных форм водорода, а также Эрвину Шрёдингеру и Полю Дираку — за создание новых плодотворных вариантов квантовой теории.
Когда Шрёдингер впервые опубликовал свое уравнение, немецкий физик Макс Борн дал статистическую интерпретацию входящей в него волновой функции, показав, что интенсивность шредингеровских воли следует рассматривать как меру вероятности того, что частица находится в определенном месте. Другая заслуга Борна состоит в том, что он вместе с П. Иорданом создал математический аппарат новой квантовой теории (матричной механики). За фундаментальный вклад в квантовую механику, а также за статистическую интерпретацию волновой функции Макс Борн в 1954 г. (много лет спустя после своих открытий!) стал лауреатом Нобелевской премии по физике, разделив ее с Вальтером Боте. Наряду с другими результатами Борна нельзя не упомянуть о разработанных им методах вычисления деформации электронных оболочек атома. Для Борна и его школы было характерно широкое использование квантовой механики в различных областях физики атома и твердого тела.
С теоретическим исследованием электронов в атоме связаны и работы известного швейцарского физика-теоретика Вольфганга Паули. В 1924 г. этот талантливый молодой ученый сформулировал один из важнейших принципов теоретической физики — так называемый принцип Паули. Это было время, когда еще господствовала старая квантовая теории, согласно которой электроны в атоме вращаются вокруг ядра по определенным траекториям. Принцип Паули утверждал, что на одной орбите не может одновременно находиться более двух электронов, да и то только в том случае, если их спины противоположно направлены. В современной формулировке этот принцип звучит так: две тождественные частицы не могут находиться в одном квантовом состоянии.
Из принципа Паули следует, что в любом слое электронной оболочки атома может находиться только определенное число электронов. Этот принцип позволил строго объяснить расположение химических элементов в таблице Менделеева. Принцип Паули имеет большое значение для ядерной физики и физики элементарных частиц, где с его помощью удалось объяснить составной характер ядер и элементарных частиц. За свое крупное открытие Вольфганг Паули в 1945 г. получил Нобелевскую премию по физике.
Рентгеновские лучи
В декабре 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген, директор Физического института при Вюрцбургском университете, открыл новый вид лучей. Впоследствии историки науки установили, что это излучение, возникающее в катодно-лучевой трубке, многократно наблюдалось прежде.
Во второй половине XIX в. катодные трубки были во всех сравнительно крупных физических лабораториях, и очень странно, что до Рентгена никто не замечал этих лучей. Еще в 1876—1880 гг. Эуген Гольдштейн изучал катодные лучи, а в 1895—1898 гг. наблюдал свечение некоторых солей под их воздействием. Десять лет спустя Джозеф Томсон, проводя свои опыты с катодными лучами, также заметил, что стекло, помещенное более чем в метре от трубки, фосфоресцирует. Однако он не обратил на это внимания. Физики того времени по опыту хорошо знали, что около работающей катодной трубки нельзя оставлять фотоматериалы, ибо они засвечиваются. Эти и некоторые другие факты свидетельствуют о том, что ученые находились на пороге открытия. Последний, решающий, шаг был сделан Рентгеном в 1895 г. Желая улучшить условия наблюдения свечения в катодной трубке, он затемнил лабораторию. Тогда-то Рентген и заметил случайно, что картонный экран, покрытый флуоресцирующим минералом, во время работы катодной трубки начинает светиться.
Известна мысль, высказанная Пастером, что случайность помогает только подготовленному уму. Рентген сразу же поставил серию экспериментов и подробнейшим образом описал свойства вновь открытых лучей. Он установил, что они распространяются на большое расстояние и проникают через многие вещества. Далее он выяснил, что в отличие от катодных эти лучи не преломляются, не отражаются и не отклоняются в магнитном поле. Всего за несколько месяцев Рентген изучил настолько основательно новое излучение, что понадобилось 20 лет, чтобы добавить что-либо к его выводам.
Рентгеновские лучи были интересны сами по себе, но настоящую сенсацию они произвели, когда выяснилась их способность проникать через тело человека и давать изображение его скелета. В конце прошлого века это было невероятным открытием. Известность Рентгена достигла таких масштабов, что в 1901 г. ему первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.
Сразу же после открытия рентгеновских лучей возник старый спор, который в то время сопутствовал открытию любого вида излучения: является это излучение потоком частиц или электромагнитными волнами? В 1899 г. нидерландские физики Г. Хага и К.X. Винд пропустили пучок рентгеновских лучей через узкую щель и обнаружили слабый дифракционный эффект. Отсюда они сделали вывод о волновой природе рентгеновских лучей и оценили длину волны этого излучения: она была порядка одного ангстрема (одной стомиллионной сантиметра). Для сравнения укажем, что видимый свет имеет длину волны порядка нескольких тысяч ангстрем. В 1904 г. английский физик Чарлз Баркла занялся проверкой гипотезы английского физика Джорджа Стокса о том, что если рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами, то они должны поляризоваться, причем поляризация должна зависеть от способа их образования в катодной трубке. Поляризация действительно была обнаружена, и это было воспринято как серьезный аргумент в пользу волновой природы рентгеновских лучей.
В то же самое время, однако, выявились и некоторые факты, свидетельствующие о корпускулярном характере рентгеновских лучей. В 1908 г. Уильям Генри Брэгг исследовал процесс возникновения заряженных частиц под действием рентгеновского излучения. Он, в частности, наблюдал возникновение при этом потока электронов, на основании чего сделал вывод, что рентгеновские лучи представляют собой поток частиц, ибо подобный эффект могут вызвать только частицы. Эти опыты склонили чашу весов в сторону корпускулярной теории, и такое положение сохранилось до 1912 гм когда неожиданно было представлено блестящее доказательство волновых свойств рентгеновских лучей.
В Мюнхенском университете, где продолжал работать Рентген, профессор Арнольд Зоммерфельд поручил своему сотруднику Максу фон Лауэ написать для энциклопедии статью на тему «Волновая оптика». Это побудило Лауэ внимательно изучить теорию дифракции света. В то же самое время один из учеников Зоммерфельда, Пауль Эвальд, работал над диссертацией по оптическим свойствам кристаллов. Часто консультировавший его Лауэ пришел к мысли, что расстояние между атомами в кристаллических решетках — того же порядка, что и предполагаемая длина волны, рентгеновских лучей. В этом случае при прохождении лучей через кристалл должно было бы наблюдаться явление дифракции.
Проверкой предположения Лауэ занялись молодые исследователи Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг. После нескольких экспериментов им удалось получить фотографии сложных дифракционных картин. Так, в 1912 г. была сфотографирована дифракционная картина, возникающая при прохождении рентгеновских лучей через кристалл сульфата меди. Это открытие вызвало большой резонанс в научных кругах и явилось убедительным подтверждением волновой природы рентгеновского излучения. Инициатор этих. исследований Макс фон Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей получил в 1914 г. Нобелевскую премию.
Однако толкование рентгеновской дифракционной картины оказалось делом довольно сложным. Лауэ занимался этим вопросом, но с весьма небольшим успехом. Эту проблему разрешили английский физик Уильям Лоренс Брэгг (сын У.Г. Брэгга) и независимо русский кристаллограф Георгий Викторович Вульф. В 1913 г. они вывели формулу, описывающую условия интерференционного отражения рентгеновских лучей от кристаллов (формула Брэгга — Вульфа). С помощью этой формулы можно определить отклонение рентгеновского луча при прохождении через вещество. Указанная формула, связывающая длину волны рентгеновского излучения с периодом кристаллической решетки кристалла, позволяет, с одной стороны, используя рентгеновские лучи определенной длины волны, исследовать структуру вещества, а с другой — используя такие кристаллы, как поваренная соль, структура которой известна, можно исследовать сами рентгеновские лучи. Обширные эксперименты такого рода, проведенные отцом и сыном Брэггами, положили начало рентгеноструктурному анализу и принесли в 1915 г. этим ученым Нобелевскую премию по физике. У.Л. Брэгг, которому тогда было только 25 лет, долго и плодотворно работал в этом направлении. В период 1938—1953 гг., возглавляя знаменитую Кавендишскую лабораторию, У.Л. Брэгг всячески способствовал использованию рентгеноструктурного анализа в зарождающейся молекулярной биологии. И действительно, этот новый метод сыграл важную роль в открытии структуры ДНК («двойная спираль») и определении пространственного строения некоторых белковых молекул.
