Cosmotheoros. Blog Zenona Roskala

Dyfrakcja na kryształach

Dzisiaj mija dokładnie 130 lat od urodzin Paula  Petera Ewalda (23 I 1888 – 22 VIII 1985)niemieckiego fizyka, którego wkład w rozwój krystalografii rentgenowskiej trudno przecenić. Ten zapomniany trochę fizyk ma jednak bardzo wysoką pozycję w rankingu cytowań. Zajmuje siódmą pozycję. Pięć pierwszych zajmują laureaci Nagrody Nobla. Na szóstej pozycji jest Marian Smoluchowski.  Warto przypomnieć kontekst odkrycia zjawiska dyfrakcji promieni Röntgena na siatkach krystalicznych, w którym Ewald miał swój udział.

Dyfrakcja na kryształach

Arnold Sommerfeld (1868-1951) dał Ewaldowi temat pracy doktorskiej związany z zachowaniem się fal świetlnych w układzie uporządkowanych przestrzennie atomów. Ewald chciał skonsultować ten temat z Maxem von Laue (1879-1960). W czasie rozmowy z Ewaldem u Maxa Laue pojawiła się twórcza idea, że krótsze fale, jakimi są promienie Röntgena, powinny w kryształach spowodować takie same efekty ugięcia, jak fale świetlne w wyrytych w szkle siatkach dyfrakcyjnych.To właśnie dzięki dodatkowym informacjami uzyskanymi od Ewalda Max von Laue mógł zainspirować młodych fizyków do przeprowadzenia eksperymentu, który  (w kwietniu 1912 r.) doprowadził do wykrycia dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego na kryształach.
Aparatura, za pomocą której Walter Friedrich i Paul Knipping uzyskali obrazy dyfrakcyjne po przepuszczeniu promieni Röntgena przez kryształy (Muzeum Niemieckie, Monachium)
Aparatura, za pomocą której Walter Friedrich i Paul Knipping uzyskali obrazy dyfrakcyjne po przepuszczeniu promieni Röntgena przez kryształy (Muzeum Niemieckie, Monachium)
Eksperyment został zrobiony w konspiracji (badania były wykonywane w nocy z obawy przed krytyką ze strony szefów) na Uniwersytecie w Monachium przez Waltera Friedricha (1883-1968), asystenta Arnolda Sommerfelda (1868-1951) i Paula Knippinga (1883-1935), doktoranta Wilhelma Conrada Röntgena (1845-1923). Stało się tak dlatego, że mistrzowie młodych fizyków nie wierzyli, że taki  eksperyment może być owocny. Sommerfeld co prawda interesował się naturą promieni odkrytych przez Wilhelma Conrada Röntgena w roku 1895, ale natura tego promieniowania na początku ubiegłego stulecia nie była znana. Nie było rzeczą wiadomą, czy są to fale jak światło, czy też są to korpuskuły jak promienie katodowe (elektrony). Nie było wtedy jeszcze rzeczą pewną, czy promienie Röntgena mogą być falami elektromagnetycznymi czy też mają naturę korpuskularną, oraz czy naturę fizyczną kryształów wyjaśnia regularne ułożenie  w nich atomów.  Max Laue opisuje te wydarzenia następująco:
„P.P. Ewald, doktorant Sommerfelda, miał matematycznie zbadać zachowanie się fal świetlnych w siatce przestrzennej polaryzowalnych atomów, jednakże z tym na początku nie umiał sobie poradzić, odwiedził mnie w moim mieszkaniu i prosił o radę. Oczywiście nie wiedziałem, jak mu pomóc; ale przy dyskusji wymknęło mi się przypadkowo zdanie, ażeby przepuścić przez kryształy krótsze fale, mianowicie promienie Röntgena. Jeżeli atomy rzeczywiście tworzyłyby siatkę przestrzenną, to powinny one dać zjawiska interferencyjne, podobne do interferencji świetlnych na siatkach optycznych. To się rozeszło wśród młodszych fizyków z Monachium, którzy każdego dnia powszedniego spotykali się razem w kawiarni Café Lutz. Jeden z tego zespołu, Walther Friedrich, który krótko przedtem doktoryzował się u Röntgena z pracy nad rozpraszaniem promieni Röntgena i potem został asystentem Sommerfelda, zaofiarował się sprawdzić to doświadczalnie. Trudnością było, że Sommerfeld po tym pomyśle niczego się nie spodziewał i Friedricha posadziłby najchętniej do zbadania kierunkowego rozkładu promieniowania wychodzącego z antykatody. Ale również to zostało przezwyciężone, gdy Paul Knipping, również doktorant Röntgena, zaofiarował swoją pomoc”.
Próbowano przepuszczać promienie Röntgena przez kryształ trójskośnego pięciowodnego siarczanu miedzi CuSO4 .  5H2O. Początkowo próby nic nie dały, ponieważ klisza fotograficzna była ustawiona z boku, równolegle do biegnącej wiązki promieni Röntgena, albowiem chciano zaobserwować promienie odchylone przez kryształ od głównego toru wiązki. Dopiero ustawienie płyty fotograficznej za kryształem, co zasugerował Knipping, spowodowało po kilkugodzinnej ekspozycji powstanie śladu (zaczernienia) promieni odchylonych w formie rozmieszczonych punktów dookoła śladu głównego wiązki. Powstał pierwszy tzw. rentgenogram Lauego, diagram Lauego, lauegram. Sam Laue w swojej autobiografii tak opisał to wydarzenie:
Nie pierwsze doświadczenie, ale może drugie doprowadziło do sukcesu. Fotogram prześwietlenia kawałka siarczanu miedzi pokazał wieniec ugiętych widm sieciowych obok pierwotnego promienia Röntgena. Pogrążony głęboko w myślach szedłem ulicą Leopoldstraße do domu, gdy Friedrich pokazał mi to zdjęcie. I już blisko mojego mieszkania, Bismarckstraße 22, przed domem Siegfriedstraße 10, powstała u mnie  myśl teorii matematycznej tego zjawiska. Krótko przedtem w artykule do Encyklopedii  nauk matematycznych sformułowałem na nowo pochodzącą od Fridricha Schwerda (1792-1871)  teorię ugięcia na siatkach optycznych tak, że dwukrotne jej zastosowanie obejmowało również teorię siatki krzyżowej. Wystarczyło tylko trzykrotne napisanie jej, zgodnie z trzema okresami sieci przestrzennej, aby wyjaśnić to odkrycie. W szczególności obserwowany wieniec promieni można było ustalić w związku z regułami, które określają każdy z trzech warunków interferencji z osobna. Gdy kilka tygodni później mogłem tę teorię sprawdzić ilościowo dla innego bardziej przejrzystego zdjęcia i ją potwierdzić, był to dla mnie ten rozstrzygający dzień.
Była to godzina odkrycia interferencji promieni Röntgena. Później lepsze diagramy uzyskano dla regularnej blendy cynkowej, czyli siarczku cynku ZnS. Tym samym udało się udowodnić  falową naturę  promieni odkrytych przez Wilhelma Conrada Röntgena oraz sieciową strukturę przestrzenną kryształów. Reakcje Sommerfelda i Röntgena na odkrycia młodych fizyków były różne. Sommerfeld od razu rozpoznał olbrzymie znaczenie tego odkrycia, poparł materialnie dalsze badania i włączył się w rozpropagowanie tego osiągnięcia w świecie naukowym. Natomiast Röntgen pozostawał dłuższy czas sceptyczny, aż w końcu i on się przemógł. Już w następnym roku (1913) William Henry Bragg (1862-1942), ojciec, oraz William Lawrence Bragg (1890-1971), syn, stworzyli podstawy strukturalnej analizy rentgenowskiej, za co otrzymali Nagrodę Nobla za rok 1915. Nagrodę Nobla z fizyki, za rok 1914, „za odkrycie dyfrakcji promieni Röntgena na kryształach” dostał Max von Laue. Mimo tego, że Walter Friedrich i Paul Knipping nie zostali oficjalnymi współlaureatami Nagrody Nobla, Max von Laue podzielił się z nimi sprawiedliwie gratyfikacją finansową wynikającą z tej nagrody. O Ewaldzie jednak zapomniano!
Wkład Ewalda  w rozwój krystalografii nie skończył się na inspirowaniu innych fizyków. Ewald pracował intensywnie w nowej dziedzinie fizyki zwanej krystalografią rentgenowską. W celu upamiętnienia jego osiągnięć geometryczna interpretacja zjawiska powstawania dyfraktogramów rentgenowskich, sporządzanych dla różnych kątów padania promieniowania X i różnych długości fal  (λ), została nazwana sferą (konstrukcją) Ewalda.
Tekst  został  opracowany na podstawie artykułu: A. Więckowski,  Max von Laue (1879-1960). Pamięci uczonego w Międzynarodowym Roku Krystalografii 2014 oraz w 100-lecie przyznania mu Nagrody Nobla z fizyki, ,,Nauka” 2 (2014), 151-170.
Print Friendly, PDF & Email
Zapraszam na

Zenon Roskal

Filozof przyrody i historyk nauki. Autor monografii: Astronomia matematyczna w nauce greckiej. Metodologiczne studium historyczno-przyrodnicze (Lublin 2002) oraz Kosmos Chtoniczny. Historyczny rozwój monistycznej interpretacji kosmosu (Lublin 2012). Redaktor Encyklopedii filozofii przyrody (Lublin 2016).
Zapraszam na

Latest posts by Zenon Roskal (see all)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *