Кристалл строит себя сам. Его архитектура, какой бы затейливой она ни была, возникает не вопреки, а вследствие стремления к равновесию. Образуя правильную гармоническую постройку, атомы тем самым занимают наиболее устойчивое для данных условий положение. И пока эти условия не изменятся, кристаллу не грозит разрушение.
Из главы «Путь, найденный физиками» История великого открытия
В 1895 году Конрад Рентген открыл удивительные лучи, свободно проникавшие через бумагу, через ткань, даже через металлическую пластинку. Но еще 17 лет после этого природа таинственных лучей оставалась неясной. Решение было найдено в 1912 году, когда немецкий физик Макс фон Лауэ высказал предположение, что длина волны рентгеновских лучей может оказаться настолько малой, что их дифракция будет наблюдаться на кристаллической решетке. История постановки эксперимента, подтвердившего догадку Лауэ, довольно любопытна. Изложим ее со слов советского академика А. Ф. Иоффе[78].
В те времена в кафе «Хофгартен» в Мюнхене образовалось нечто вроде клуба физиков с участием химиков и кристаллографов, где ежедневно обсуждались актуальные научные вопросы. В этих дискуссиях принимал участие А. Ф. Иоффе, работавший тогда в Германии. Именно здесь фон Лауэ рассказал о своей гипотезе. Но присутствовавший при этом физик Вагнер категорически не согласился с Лауэ. Как может наблюдаться дифракция от пространственной решетки? Ведь дифракционные картины, соответствующие трем измерениям, будут перекрываться, мешая друг другу! — говорил Вагнер. Лауэ настаивал на своем, и свидетели спора предложили заключить пари на коробку шоколада. Фридрих, производивший тогда под руководством Рентгена опыты с загадочными лучами, взялся решить спор путем экспериментальной проверки. Придя в лабораторию, он поставил на пути рентгеновских лучей кристалл, а рядом — фотографическую пластинку, которая могла бы зафиксировать лучи под прямым углом к первичному пучку. Велико было разочарование, когда никаких следов дифракционных лучей на пластинке не обнаружилось! Опыт повторялся многократно, но каждый раз без успеха…
В одной комнате с Фридрихом работал молодой физик Книппинг, которому мешала беспрерывно работавшая рентгеновская трубка. Потеряв терпение, он поставил фотопластинку за кристалл на пути первичного пучка для того, чтобы хоть что-нибудь на ней увидеть. И вот великое открытие совершилось! На проявленной пластинке были видны симметрично расположенные пятна, красноречиво подтверждавшие правильность догадки Лауэ. А вскоре появилась знаменитая работа Лауэ, Фридриха и Книппинга, где сообщалось об открытии дифракции рентгеновских лучей на кристаллах и объяснялась сущность этого явления. Вагнер проиграл коробку шоколада, хотя его скептицизм ускорил постановку опыта.
При таких курьезных обстоятельствах было совершено выдающееся открытие, которое не только позволило однозначно выяснить природу рентгеновского излучения, но и открыло путь ученым в недра кристалла. Возникший на базе явления дифракции новый метод — рентгеноструктурный анализ кристаллов — сделался самым мощным, самым надежным средством исследования строения вещества.
В 1932 году в студенческом химическом обществе Оксфорда читал лекцию профессор Дж. Бернал — крупный ученый, внесший немалый вклад в изучение строения твердого и жидкого вещества. Ныне он широко известен также как активный деятель движения борцов за мир. После лекции к нему обратилась молодая женщина. Она просила разрешить ей работать в лаборатории Бернала над проблемами кристаллохимии природных соединений. Это была Дороти Кроуфут, теперь Дороти Хотчкин, исследования которой впоследствии стали своего рода рекордами структурного анализа.
В годы Второй мировой войны, проявив удивительное упорство и проницательность, Хотчкин одержала свою первую победу. Она определила строение сложнейшей молекулы пенициллина раньше, чем это удалось сделать химическими методами. А затем — новый блестящий успех: ученая безукоризненно точно нашла расположение 97 атомов молекулы витамина В12 и молекул воды, которые входят в состав этих кристаллов. Ее работы дали основание надеяться, что с помощью рентгеноструктурного анализа будет, наконец, решена важнейшая проблема строения белка.
В 1914 году Лауэ был удостоен Нобелевской премии — высокой награды, которая присуждается лишь лучшим из лучших. А ровно полвека спустя значение его открытия было признано вторично. Нобелевская премия по химии за 1964 год была присуждена Дороти Хотчкин, которая после Марии Кюри-Складовской и Ирен Кюри стала третьей женщиной, удостоенной звания Нобелевского лауреата.
За свою полувековую историю рентгеновский анализ прошел путь от исследования простейших структур до изучения сложнейших природных соединений. Разумеется, при этом совершенствовался и усложнялся и сам метод. Современный курс рентгеноструктурного анализа — это пара увесистых томов, испещренных математическими формулами. Его освоение требует глубоких знаний в области физики, химии, математики и кристаллографии одновременно. Но тем не менее число исследователей, применяющих этот метод, — так называемых структурщиков, увеличивается с каждым годом. Теперь вряд ли найдется такой класс химических соединений, где структурщики не сказали бы своего авторитетного слова.
И почти все это время патриархом структурщиков был Почетный президент Международного кристаллографического союза профессор Макс фон Лауэ. В годы фашистской диктатуры Лауэ активно помогал жертвам фашизма и боролся с его сторонниками. Он трагически погиб в 1960 году, не дожив лишь двух лет до полувекового юбилея своего открытия. Жизнь замечательного ученого оборвалась в результате автомобильной катастрофы. Всего лишь за полгода до этого в связи с 80-летием Лауэ получил адрес, где говорилось:
«Международный кристаллографический союз мужу славному, мудрейшему Максу Лауэ, физику восьмидесятилетнему, который, будучи по разуму и глубине мысли равен Лукрецию, Галилею, Ньютону, познал тончайшую природу вещества и открыл для исследования огромный новый мир, от имени всего кристаллографического племени приносит поздравления и шлет наилучшие пожелания».
В гостях у структурщиков
А теперь, читатель, приглашаем вас совершить экскурсию в кристаллохимическую рентгеновскую лабораторию.
Попав во владения структурщиков, в первый момент вы, вероятно, будете удивлены. Хотя лаборатория размещается в солидном химическом институте, здесь не окажется ни огромных колб и реторт, ни бесконечных рядов пробирок и всего прочего, что со времен Ломоносова принято считать непременными атрибутами химии. Вы увидите только столы, загроможденные грудами чертежей и листов с расчетами. Вам бросятся в глаза рулоны бумаги, испещренные цифрами, и пачки перфокарт. С перфокарт считывает информацию электронная вычислительная машина. А рулон с цифрами — это ответ, который дает машина, решив задачу. В длинных столбцах цифр заключены сведения о распределении электронной плотности внутри кристалла.
И среди всего этого бумажного царства вы увидите склонившихся над столами людей. Одни считают на логарифмических линейках или арифмометрах, другие рассматривают рентгенограммы на специальных освещаемых снизу столиках-негатоскопах, третьи — вычерчивают уже знакомые вам проекции и сечения электронной плотности. Знакомьтесь, это структурщики!
