Закон Брэгга
Двойную спираль молекулы ДНК обнаружили с помощью закона Брэгга. Этот закон объясняет, как волны, проходящие через упорядоченное твердое тело, усиливают друг друга и создают узор из ярких пятен, расстояние между которыми зависит от фиксированных расстояний между атомами и молекулами тела. Промеряя рисунок пятен, можно получить сведения о его кристаллической архитектуре.
Если вы сидите сейчас в комнате, поднесите ладонь поближе к стене — и вы увидите ее резкую тень. А теперь немного отодвиньте ладонь от стены — очертания тени расплывутся. Происходит это потому, что свет, сталкиваясь с вашей ладонью, испытывает дифракцию. Лучи его огибают пальцы, размывая тень. И так ведут себя все волны. Волны воды рассеиваются на краях стен гавани, звуковые волны изгибаются, минуя край сцены концертного зала.
Дифракцию можно описать, используя принцип Гюйгенса, который предсказывает прохождение волны, рассматривая каждую точку волнового фронта как источник волновой энергии. Каждая точка создает сферическую волну, они складываются, определяя продвижение волны вперед. Если волновой фронт ограничен, сферические волны, возникающие на его краях, распространяются беспрепятственно. Это происходит, когда череда параллельных волн огибает препятствие наподобие вашей ладони или проходит сквозь отверстие — вход в гавань либо дверной проем.
Рентгеновская кристаллография
Австралийский физик Уильям Лоренс Брэгг обнаружил, что дифракция возникает и при прохождении волн через кристаллы. Кристалл состоит из атомов, закрепленных в аккуратной решеточной структуре, с отстоящими друг от друга на определенные расстояния рядами и колоннами атомов. Брэгг пропускал сквозь кристаллы рентгеновские лучи и направлял их на экран. Лучи рассеивались на рядах атомов. Выходящие из кристалла лучи избирали определенные направления и не избирали других, создавая рисунок ярких пятен. В зависимости от типа используемых кристаллов рисунки получались разными.
Для обнаружения этого эффекта понадобились открытые в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном и названные его именем лучи, длина волны которых чрезвычайно мала — в тысячи раз меньше, чем у видимого света, и меньше расстояния между атомами кристалла. Таким образом, длина волны рентгеновских лучей достаточно мала, чтобы они проходили через кристаллическую решетку, претерпевая в ней сильную дифракцию.
«Главное в науке не столько получение новых фактов, сколько способность по-новому осмысливать имеющиеся» Уильям Брэгг, 1968
Самые яркие пятна на рентгенограмме возникают, когда лучи проходят через кристалл таким образом, что их волны становятся синфазными. Синфазные волны, высшие и низшие точки которых согласованы, могут соединяться, отчего их яркость будет возрастать, и создавать на фотопластине пятна. Волны, «сдвинутые по фазе», с рассогласованными высшими и низшими точками, гасят одна другую и световых пятен не порождают. Таким образом, на фотопластине возникает узор из ярких точек, расстояние между которыми позволяет определить расстояния между рядами атомов в кристалле. Этот эффект взаимного усиления и гашения волн называется «интерференцией».
Брэгг описал все это математически, рассмотрев две волны, одна из которых отражается от поверхности кристалла, а другая проникает в него ровно на глубину первого слоя атомов. Для того чтобы вторая волна стала синфазной и усилила первую, она должна пройти дополнительное расстояние, равное целому числу длин волн первой. Это дополнительное расстояние зависит от угла падения лучей и расстояния между слоями атомов. Закон Брэгга гласит, что дифракция возникает, когда периоды кристаллических решеток отвечают определенным длинам волн.
Глубинная структура
Рентгеновская кристаллография широко используется для определения структуры новых материалов, а химики и биологи прибегают к ней, исследуя архитектуру молекул. В 1953 году с ее помощью была обнаружена двойная спираль молекулы ДНК, — как известно, идея спирали возникла у Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона, когда они увидели полученный Розалиндой Франклин узор интерференции рентгеновских лучей, прошедших через ДНК, и поняли, что молекулы должны быть выстроены в двойную спираль. Открытие рентгеновских лучей и кристаллографии впервые дало физикам инструменты, позволяющие проникать в глубинную структуру материи и даже внутрь человеческого тела.
Многие нынешние методы медицинской интраскопии основаны на аналогичных физических процессах. Компьютерная томография собирает многочисленные рентгеновские сечения тела в реалистическое внутреннее изображение; ультразвуковое исследование позволяет получать высокочастотное эхо от внутренних органов тела; магнитно-резонансная томография (МРТ) сканирует воду, присутствующую в тканях тела, выявляя вибрации молекул, создаваемые сильным магнитным полем; позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) позволяет наблюдать за распространением по телу радиоактивного препарата. За разработку этих инструментов и врачам, и пациентам следует благодарить Брэгга.
Уильям Лоренс Брэгг, 1890-1971
Уильям Лоренс Брэгг родился в Аделаиде, в семье профессора математики и физики. Слетев в детстве с велосипеда и сломав руку, Брэгг-младший стал первым австралийцем, прошедшим медицинское рентгеновское обследование. Он изучал физику, а после окончания университета уехал с отцом в Англию. Там, в Кембридже, он и открыл закон дифракции рентгеновских лучей на кристаллах. Он обсуждал свои идеи с отцом и впоследствии очень расстраивался из-за того, что многие полагали, будто закон был открыт отцом, а не им.
И в Первую, и во Вторую мировую войну Брэгг служил в армии, работая над конструкцией эхолокатора. А затем возвращался в Кембридж, где создал несколько небольших исследовательских групп. В конце своей карьеры Брэгг стал известным популяризатором науки, организовав в Лондонском королевском институте чтение лекций для школьников и регулярно появляясь на телевизионном экране.
Двойная спираль ДНК
В 1950-х ученые ломали голову над структурой ДНК, одного из «кирпичиков» жизни. В 1953-м британские физики Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали результаты своих исследований, из которых следовало, что молекула ДНК выглядит как двойная спираль, и это стало серьезным шагом вперед. Они признали, что многим обязаны ученым из Лондонского королевского колледжа, Морису Уилкинсу и Розалинде Франклин, получившим с использованием закона Брэгга рентгеновские кристаллографические фотографии ДНК.
Франклин сделала на редкость четкие снимки интерференционного узора ярких пятен, которые и позволили в конечном счете установить структуру ДНК. Крик, Уотсон и Уилкинс были удостоены за эту работу Нобелевской премии, — но не умершая молодой Франклин. Многие считают, что ее роль в этом открытии была принижена, возможно, из-за сексистских взглядов того времени. Кроме того, результаты Франклин могли быть переданы Уотсону и Крику без ее ведома. Ныне вклад Розалинды Франклин в это открытие является общепризнанным.
Вильгельм Рентген, 1845-1923
Вильгельм Рентген родился в Нижнерейнской области Германии, но еще в детские его годы родители Рентгена перебрались в Нидерланды. Он изучал физику в Утрехте и Цюрихе, работал во многих университетах, возглавлял кафедры физики в университетах Вюрцбурга и Мюнхена. Основными предметами его исследований были теплота и электромагнетизм, однако прославился он совершенным им в 1895 году открытием рентгеновского излучения. Пропуская ток через разреженный газ, он заметил, что при этом начинает светиться покрытый химикалиями экран, даже если эксперимент проводится в полной темноте. Обнаруженные им лучи проходили через многие материалы, включая и положенную на фотопластинку ладонь жены Рентгена. Он назвал эти лучи Х-лучами, поскольку происхождение их оставалось непонятным. Впоследствии было показано, что они суть такие же электромагнитные волны, как свет, но только частоту имеют куда более высокую.