Откройте любой учебник химии — и на каждой странице вам встретятся примерно такие фразы: «молекула бензола состоит из шести атомов углерода и шести атомов водорода и представляет собой правильный шестиугольник», «при бромировании фенола атом брома замещает в бензольном ядре водород, соседний с гидроксильной группой»… А задумывались ли вы, как химики узнали строение и форму молекулы бензола и как они определили, что атом брома замещает именно этот, а не другой атом водорода? Все эти истины, которые сегодня кажутся прописными, очень и очень нелегко дались ученым. Например, вопрос о строении молекулы бензола вызывал в прошлом, да еще и в нынешнем веке, ожесточенные споры. Причины тут, наверное, в том, что химик не может увидеть молекулу, он должен судить о ее строении, форме по каким-то косвенным данным. В течение века такими данными были химические превращения молекул. Из одного вещества получались другие, и на основании таких переходов делались логические умозаключения об относительном расположении атомов в молекулах. Удивительно ли, что установление структуры одной-единственной молекулы отнимало годы работы у ученого-химика?
Сегодняшним химикам живется гораздо легче. Примерно в середине нашего века нм на помощь пришли физики. Они помогли химикам «увидеть» молекулы.
Первое, что приходит на память, когда мы употребляем выражение «видеть молекулу», — это электронный микроскоп. Да, изобретение электронного микроскопа облегчило жизнь… но не столько химикам, сколько биологам. Дело в том, что в электронном микроскопе можно разглядеть лишь молекулы-гиганты, характерные для биоорганических веществ — например, длиннющие цепи ДНК. Меньшие молекулы (бензола, например) электронный микроскоп нам не покажет. Да и у ДНК можно увидеть лишь общие очертания, контуры молекулы. О ее внутренней структуре мы из таких наблюдений ничего не узнаем.
О строении маленьких молекул гораздо больше, чем пучок электронов, может рассказать рентгеновское излучение.
Если в затемненной комнате на светлый экран направить луч света сквозь узкую щель, то у световой полосы на экране не будет четких краев: по бокам от полосы мы увидим последовательность чередующихся светлых и темных полосок. Свет словно загибается в стороны от направления луча, прошедшего сквозь щель, и это уклонение именуется дифракцией. А темные и светлые полосы возникают оттого, что, придя к экрану по некоторому направлению от разных участков щели, световые волны могут либо усилить друг друга (если гребень одной придется на гребень другой), либо погасить (если гребень придется на впадину).
Контрастнее и выразительнее эта картина получится, если луч направить на экран не сквозь одну щель, а через несколько — дифракционную решетку. Вид этой картины можно рассчитать по виду решетки. Можно поставить и обратную задачу: по дифракционной картине определить строение решетки, через которую пропущен свет.
