Анна Ливанова - Физики о физиках

При всем искусстве экспериментаторов им не удалось обнаружить столь малого расщепления. Но они открыли другой эффект: по обе стороны от основной линии, всегда присутствующей в спектре рассеяния кварца, но на гораздо больших расстояниях, чем ожидалось, находились слабые линии — спутники, или «сателлиты», как бы отщепленные от этой основной линии и симметрично расположенные относительно нее. «Сателлиты» оказались крайне устойчивыми, разница между частотами спутников и частотой основной линии была неизменной и не зависела от частоты основной линии.

Ученые сразу осознали важность открытого явления и стали его тщательно исследовать. Сомнений не оставалось. Обнаруженные ими линии могли быть тоже только результатом модуляции рассеиваемого света. Но какой?

После размышлений и расчетов Мандельштам нашел единственно возможное объяснение.

В кристалле совершаются колебания различных типов. С одними — дебаевскими акустическими волнами, отражающими колебания кристалла как единого целого, — мы уже познакомились. Но колеблются также отдельные атомы кристаллической решетки или комплексы атомов. Впервые такой процесс рассчитал Макс Борн. Борновские колебания тоже будут модулировать волны рассеиваемого света. И так как частота таких колебаний больше, чем дебаевских, то и спутники в спектре должны отстоять дальше от основной линии, чем те, которые первоначально рассчитал и пытался найти Мандельштам.

Итак, оба вида расщепления линий: и то, которое искали сначала, и то, которое обнаружили теперь, представляют собой две стороны, или две ветви, одного и того же процесса — колебаний кристаллической решетки. Колебания ее как целого есть дебаевские волны с относительно малой частотой колебаний; от колебаний отдельных ее частиц возникают борновские колебания.

Частота последних значительно выше, она соответствует инфракрасному участку спектра.

Мандельштам писал:

«При изучении молекулярного рассеяния света в твердых телах… нами было открыто явление, представляющее значительный теоретический интерес. Явление это заключается в изменении длины волны рассеянного света, однако значительно большем, имеющем иной характер и иное происхождение, чем то, которое мы искали.

…совершенно неожиданно обнаружилось, что все линии ртути сопровождаются спутниками, расположение которых вполне закономерно повторяется вблизи каждой линии.

…вся система спутников приходится в точности на одних и тех же местах: спектры полностью совпадают при наложении.

Одно из возможных толкований могло бы быть следующим. При рассеянии света могут возбуждаться собственные инфракрасные колебания кварца за счет энергии рассеиваемого кванта. При этом энергия, а следовательно, и частота рассеиваемого кванта должна уменьшаться на величину инфракрасного кванта, соответствующего собственным колебаниям кристалла».

Чтобы яснее представить себе физическое содержание явления, переведем наш разговор на язык спектров.

Большинство процессов во вселенной связано с изменением энергетических состояний. Энергия может рассеиваться, поглощаться, выделяться, менять форму. Например, при нагревании кристалла атомы его начинают возбуждаться, их электроны переходят на более высокие энергетические уровни. Как это происходит? Атом поглощает порцию энергии — квант определенной частоты, — и эта «пища» позволяет одному из валентных электронов «подняться» на более высокую орбиту. Этот и другие энергетические процессы находят вполне зримое воплощение в картине спектра. Если снять только что описанный спектр возбуждения атома, то на фотопластинке в строго определенном месте появится черная линия — характерная для данного вещества «линия поглощения». Это значит, что для наблюдаемого нами возбуждения атомов этого вещества поглощается световой квант данной, строго фиксированной энергии, то есть строго фиксированной частоты.

Бывает и обратный процесс, когда атом из возбужденного состояния переходит в нормальное. Тогда энергия, опять же в виде световых квантов определенной частоты, освобождается, и теперь уже в «спектрах излучения» появляется яркая линия, снова характерная для этого вещества.

Свет может не только полностью поглощаться веществом или излучаться, но, как мы знаем, и рассеиваться им. Поэтому и обнаруженное Мандельштамом рассеяние обсудим тоже на языке спектров.

Самая грубая схема явления будет выглядеть так. Существуют три возможности. Первая — падающий свет испытывает рассеяние, но не изменяет при этом своей частоты. Тогда в спектре появляется основная линия. Вторая — световой квант взаимодействует с атомом кристаллической решетки, находящимся в нормальном состоянии. При таком взаимодействии квант отдаст часть своей энергии, возбудит одно из возможных, присущих данному веществу колебаний, то есть переведет его на один из более высоких энергетических уровней, а сам рассеется уже новым квантом с меньшей энергией, и, соответственно, с меньшей частотой. Уменьшение частоты может быть различным, но ни в коем случае не произвольным. Всякий раз величина его равняется одному из значений, характерных для данного вида вещества. Но так как каждому веществу присущ свой ряд энергетических уровней, то в спектре рассеяния появится набор спутников с разными частотами.

Наконец, возможен и обратный, третий процесс. При соударении кванта с возбужденным атомом последний переходит в нормальное состояние. Тогда его избыточная энергия передается свету, и частота рассеянного кванта увеличивается — опять на величину, строго определенную, характерную для облучаемого вещества, атом которого поделился своим точно отмеренным ему избытком энергии.

Так как частоты спутников всегда представляют комбинацию (сумму или разность) частот падающего света и собственных частот облучаемого вещества, то явление это Мандельштам назвал «комбинационным рассеянием света».

Он сразу же дал верное истолкование вновь открытому виду рассеяния. И предугадал его роль в исследовании многих процессов, происходящих в веществе.

— Здесь пахнет Нобелевской премией, — обронил он в одном разговоре.

Тем не менее он не поторопился опубликовать такое открытие.

Всю жизнь Мандельштам руководствовался правилом: выпускать работы в свет только тогда, когда все тщательнейшим образом проверено и промерено. Так было и с комбинационным рассеянием. Уже давно и устойчиво получалось, что разница частот постоянна, а Леонид Исаакович продолжал еще и еще ставить проверочные опыты. Окружающим казалось, что такая чрезмерная требовательность к своим работам, такое преувеличенное чувство ответственности носят даже несколько нездоровый характер.