Предчувствия и свершения. Книга 3. Единство - Ирина Львовна Радунская

В 1921 году Раман приступил к систематическому исследованию рассеяния света в прозрачных средах, первым крупным его шагом было обнаружение опалесценции в образцах чистого кварца и льда. Явление заключается в том, что прозрачные в проходящем свете кристаллы при боковом освещении оказываются мутными. Поразительно, что во льду это явление было более сильным, чем в кварце, несмотря на более высокий показатель преломления последнего. Раман объяснил это большей сжимаемостью льда и указал, что рассеяние обусловлено флуктуациями плотности. Он доказал это, установив увеличение рассеяния при нагревании образца кварца.

В этих работах проявилась общность научных интересов Рамана и Мандельштама, которая привела их почти одновременно к замечательным результатам в одной области.

Впоследствии Раман возвратился к этим исследованиям и с помощью спектроскопа установил, что изменения частоты рассеянного света в чистом льде и в дистиллированной воде одинаковы. Эти изменения частоты обусловлены комбинационным рассеянием, то есть зависят от внутреннего строения молекул воды, а не от состояния, в котором она находится.

Исследуя двойное лучепреломление в кристаллах, Раман связал это явление с оптической анизотропией молекул и ионов, неоднородностью их свойств в различных направлениях. Это позволило на основании оптических характеристик кристалла сделать заключения о его структуре. Раман с успехом исследовал различные магнитооптические свойства кристаллических тел, а также магнитную анизотропию жидкостей.

После появления писем Рамана и Кришнана в майском и июльском номерах журнала «Природа» стало ясно, что одно и то же явление независимо и практически одновременно открыто и изучается в Москве и Калькутте, но московские физики изучали его в кристаллах кварца, а индийские — в жидкостях.

Замечательное открытие вызвало живой интерес среди ученых всего мира. Оказалось, что к близким результатам в конце апреля 1928 года независимо друг от друга пришли и французские ученые И. Рокар и Ж. Кабан, много занимавшиеся исследованиями рассеяния света.

Через некоторое время ученые вспомнили, что еще в 1923 году А. Смекаль на основе элементарной квантовой механики предсказал возможность появления в спектре рассеянного света новых спектральных линий, обусловленных внутримолекулярными колебаниями.

Вслед за работой Смекаля появились и другие теоретические исследования. В 1925 году Крамере и Гейзенберг провели подробное квантовое рассмотрение вопроса, а в 1926 году Шредингер и в 1927 году Дирак исследовали эту же задачу вполне современными методами.

Так физики-теоретики предсказали и подробно изучили новое явление. Вероятно, это не было известно Раману и Кришнану, Мандельштаму и Ландсбергу. Ведь в их первых статьях нет никаких указаний на связь открытого ими явления с тем, которое было уже предсказано и теоретически изучено.

После открытия комбинационного рассеяния в жидкостях Раман и Кришнам начали наблюдать это же явление в кристаллах. При этом была установлена связь строения кристалла со спектром комбинационного рассеяния, изучена температурная зависимость эффекта и получен ряд других ценных данных.

Важное значение имеет заключение Рамана о независимости нормальных колебаний решетки кристалла от состояния его поверхностей (от граничных условий) и четкое разделение «структурных колебаний» и «упругих колебаний» кристалла.

Особенно подробно Раман исследовал кристаллическую структуру алмаза — вещества, представляющего особый интерес с точки зрения физики. Раман и его сотрудники исследовали алмаз оптическими методами в видимом свете, а также с помощью инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей. Изучались характеристики, общие для всех сортов алмазов, и тонкие различия между его разновидностями. Раманом и его школой было подробно исследовано и давно известное, но ранее не изученное явление люминесценции алмаза и обнаружено, что алмаз способен к двум различным типам люминесценции. На кристаллах алмаза проводились исследования термооптических, магнитооптических и других свойств кристаллических тел.

В 1947 году Ч. В. Раман был избран зарубежным членом-корреспондентом АН СССР. Ч. В. Раман был не только крупным ученым, но и выдающимся общественным деятелем. Ему была присуждена Международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами» 1956 года. Из школы Ч. В. Рамана вышла блестящая плеяда ученых, среди которых есть и очень крупные специалисты, пользующиеся мировой известностью.

Что же такое комбинационное рассеяние света?

Подробные исследования обнаружили следующие основные черты этого явления. При прохождении пучка монохроматического (одноцветного) света через совершенно чистое, лишенное всяческих загрязнений вещество часть света рассеивается в стороны. Рассеянный свет содержит, кроме света первоначальной частоты, также свет измененных (комбинированных) частот. Разность этих частот и частоты падающего света зависит от свойств рассеивающего вещества и не зависит от частоты падающего света.

В результате на фотографии спектра рассеянного света каждая спектральная линия, излучаемая источником света, сопровождается группой линий измененной частоты — спутниками или сателлитами этой линии. Сателлиты расположены по обе стороны от основной линии, они появляются парами, расположенными симметрично на одинаковых расстояниях от основной линии. Как сказано выше, эти расстояния составляют характерную особенность рассеивающего вещества и не зависят от частоты основной линии. Число видимых сателлитов также зависит от свойств рассеивающего вещества. Характерно, что сателлиты, обладающие меньшей частотой, то есть расположенные с той стороны основной линии, которая ближе к красному участку спектра («красные» сателлиты), обычно ярче, чем те, которые расположены ближе к фиолетовому участку спектра («фиолетовые» сателлиты). Обнаружено, что разность частот основной линии и соответствующих сателлитов, которая является характеристикой рассеивающего вещества, обычно совпадает с частотами линий, наблюдаемых при изучении спектров этого же вещества в инфракрасных лучах.

Линии комбинационного рассеяния являются, таким образом, тем отпечатком, который молекулы рассеивающего вещества накладывают на спектр света источника. Именно это дало право Л. И. Мандельштаму назвать комбинационное рассеяние света языком молекул. Для тех, кто сумеет расшифровать и понять фотографии спектра комбинационного рассеяния, молекулы, пользуясь этим языком, раскроют тайны своего строения.

Для объяснения деталей этого интересного явления необходимо привлечь квантовую теорию и хотя бы бегло проследить путь, пройденный Смекалем, Гейзенбергом, Шредингером, Дираком и другими физиками-теоретиками.

Основой квантовой теории является положение о том, что энергия, в любом ее виде, может передаваться только вполне определенными порциями. В каждой системе микромира — атоме, молекуле и т. п. — существует минимальная порция энергии. Меньшая порция энергии уже не может передаваться. Квантовая теория света, созданная А. Эйнштейном, заключается в том, что обмен энергией между частицами вещества и светом происходит путем уничтожения одних и рождения других квантов света (фотонов). Количество энергии, заключающейся в каждом из них, зависит от частоты света, то есть от его цвета.

При обычном рассеянии, рассмотренном еще Релеем, когда частота света не изменяется, энергия каждого из рассеянных фотонов совпадает с энергией падающих. При комбинационном рассеянии частота рассеянного света отличается от частоты падающего. Следовательно, энергия рассеянных фотонов отличается от энергии