Рентгеновское излучение

В январе 1896 года весь мир накрыла волна газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма‑Конрада Рентгена (1845–1923). В самом деле, казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти женской руки с обручальным кольцом на пальце. Этот снимок был сделан с помощью открытых Рентгеном лучей, которые тут же назвали рентгеновскими. А потом это открытие, как часто бывает, дало толчок новым исследованиям, что привело к открытию радиоактивности.

Немецкий физик Вильгельм‑Конрад Рентген родился в Леннепе, небольшом городке близ Ремшейда в Пруссии, и был единственным ребенком в семье преуспевающего торговца текстильными товарами. В 1862 году он поступил в Утрехтскую техническую школу, но был исключен оттуда за то, что отказался назвать имя товарища, нарисовавшего непочтительную карикатуру на одного из преподавателей.

Вильгельм‑Конрад Рентген

В 1865 году Рентгена зачислили студентом в Федеральный технологический институт в Цюрихе (он намеревался стать инженером‑механиком). Через три года он получил диплом, а еще через год защитил докторскую диссертацию. После этого немецкий физик Август‑Адольф Кундт (1839–1894) назначил Рентгена ассистентом в своей лаборатории в местном политехникуме. Получив кафедру физики в Вюрцбургском университете (Бавария), Кундт взял с собой и своего ассистента. Потом они вместе перешли в Страсбургский университет, а в 1875 году Рентген стал профессором и сам начал читать курс теоретической физики. Одновременно с этим, работая в Страсбурге, Рентген завоевал себе репутацию сильного физика‑экспериментатора.

До 1894 года Рентген преподавал физику, а потом его избрали ректором Вюрцбургского университета, и там он приступил к экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных трубках.

Однажды вечером, а дело было 8 ноября 1895 года, Рентген, как обычно, находился в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Для этого он использовал трубку, изобретенную сэром Уильямом Круксом в 1879 году. Это был некий праобраз нынешних осциллографических трубок и кинескопов.

Около полуночи Рентген почувствовал страшную усталость и собрался уходить домой. Погасив свет, он начал закрывать дверь, как вдруг заметил в темноте какое‑то светящееся пятно. Оказалось, это светился экран из синеродистого бария, стоявший примерно в двух метрах от трубки.

Но почему он светился, ведь солнце давно зашло, а электрический свет и катодная трубка были выключены? Более того, она была закрыта черным чехлом из плотного картона…

На всякий случай Рентген еще раз проверил катодную трубку и все понял: оказывается, он забыл ее выключить. Когда же он выключил трубку, тут же исчезло и свечение экрана. Он включил трубку снова – и свечение появилось вновь. Так значит, свечение вызывала катодная трубка! Но почему? Ведь катодные лучи должны были задерживаться картонным чехлом, как броней. И к тому же флуоресцирующий экран находился на расстоянии, намного превосходившем возможности короткодействующих катодных лучей. Так начиналось рождение великого открытия…

Придя в себя от первого изумления, Рентген с новыми силами принялся изучать обнаруженное явление и новые лучи, которые он назвал Х‑лучами (икс‑лучами), то есть неизвестными лучами. Оставив картонный футляр на трубке, чтобы катодные лучи были надежно закрыты, он с экраном в руках начал ходить по лаборатории. И оказалось, что полтора‑два метра для этих неизвестных лучей – не преграда. Более того, они проникали и через толстую книгу, и через стекло… А потом рука ученого случайно оказалась на пути неизвестных лучей, и он увидел на экране силуэт ее костей. Как оказалось, кости и мягкие ткани по‑разному пропускали Х‑лучи.

Рентген потом написал:

...

«Если держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в слабых очертаниях тени самой руки».

Следующим шагом Рентгена стали фотопластинки: надо было обязательно закрепить увиденное на снимке. И вскоре ученому стало очевидно, что неизвестные лучи проходят сквозь исследуемый участок тела и переносят на пленку тени исследуемого предмета, причем кости выглядели на пленке темнее мягких тканей, а это значило, что можно было как будто «просвечивать» человека насквозь.

Любой другой на месте Рентгена немедленно опубликовал бы такое удивительное открытие. Но Рентген решил все держать в тайне, пока он сам детально не разберется с природой открытых им лучей. И напряженно работал в течение 50 дней, проверяя все предположения, которые только приходили ему в голову.

Познакомить своих коллег‑ученых с проделанной работой он решился лишь перед самым Новым годом, 28 декабря 1895 года: он описал выполненные опыты, отпечатал статью «О новом роде лучей» в виде отдельной брошюры и разослал ее ведущим физикам Европы. К статье прилагался снимок женской кисти с обручальным кольцом на пальце. Это была рука молодой жены Рентгена Анны‑Берты. Так она тоже вошла в историю.

В 1895 году Рентген писал:

...

«Мы обнаружили, что все тела прозрачны для этих лучей, хотя и в весьма различной степени».

Знаменитая фотография руки Анны‑Берты Рентген

Как показали опыты, Х‑лучи проходили через книгу, через колоду игральных карт, через доски и т. д. Даже алюминиевая пластинка толщиной около 15 мм хоть и сильно ослабляла их, но не уничтожала полностью. Рентген не мог, однако, обнаружить ни отражения, ни преломления этих удивительных лучей. Отрицательный результат дали и попытки отклонения лучей магнитным полем.

Сначала Рентген выдвинул следующую версию о возможной природе открытых им лучей:

...

«Если поставить вопрос, чем, собственно, являются Х‑лучи (катодными лучами они быть не могут), то, судя по их интенсивному химическому действию и флюоресценции, можно отнести их к ультрафиолетовому свету. Но в таком случае мы сейчас же сталкиваемся с серьезными препятствиями. Действительно, если Х‑лучи представляют собой ультрафиолетовый свет, то этот свет должен иметь свойства:

а) при переходе из воздуха в воду, сероуглерод, алюминий, каменную соль, стекло, цинк и т. д. не испытывать никакого заметного преломления;

б) не испытывать сколько‑нибудь заметного правильного отражения от указанных тел;

в) не поляризоваться всеми употребительными средствами;

г) поглощение его не зависит ни от каких свойств тела, кроме плотности.

Значит, нужно было бы принять, что эти ультрафиолетовые лучи ведут себя совсем иначе, чем известные до сих пор инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи.

На это я не мог решиться и стал искать другое объяснение. Некоторое родство между новыми лучами и световыми лучами, по‑видимому, существует. На это указывают теневые изображения, флюоресценция и химические действия, получающиеся при обоих видах лучей.

Давно известно, что, кроме поперечных световых колебаний, в эфире возможны и продольные колебания. Некоторые физики считают, что они должны существовать. Существование их, конечно, пока не доказано с очевидностью, и свойства их поэтому экспериментально еще не изучены.

Не должны ли новые лучи быть приписаны продольным колебаниям в эфире?

Я должен признаться, что все больше склоняюсь к этому мнению, и я позволяю себе высказать здесь это предположение, хотя знаю, конечно, что оно нуждается в дальнейших обоснованиях».

В конечном итоге Х‑лучи в честь их открывателя стали называть рентгеновскими лучами. Рентгеновское излучение – это электромагнитные волны, энергия фотонов которых лежит на энергетической шкале между ультрафиолетовым излучением и гамма‑излучением. Таким образом, Х‑лучи Рентгена по своей природе являются близкими родственниками солнечного ультрафиолета.

Открытие Рентгена вызвало огромный интерес в научном мире. Его опыты были повторены почти во всех лабораториях мира. В Москве их проводил выдающийся физик П. Н. Лебедев (1866–1912). В Петербурге с Х‑лучами экспериментировал изобретатель радио А. С. Попов (1859–1906), демонстрируя их на публичных лекциях и получая различные рентгенограммы. В Кембридже сэр Джозеф‑Джон Томсон (1856–1940) немедленно применил ионизирующее действие рентгеновских лучей для изучения прохождения электричества через газы. Его исследования в 1897 году привели к открытию электрона, за что в 1906 году он был удостоен Нобелевской премии по физике. 20 января 1896 года американские врачи с помощью рентгеновских лучей впервые увидели перелом руки человека.

При этом проблема природы этих лучей еще долго оставалась одной из важнейших в физике. Они вновь возбудили спор между сторонниками корпускулярной и волновой природы света, и ставилось множество экспериментов с целью решить проблему.

Что же касается самого Вильгельма‑Конрада Рентгена, то он опубликовал еще две статьи об Х‑лучах (в 1896 и 1897 годах), но затем его интересы переместились в другие области. Потеряв интерес к Х‑лучам, Рентген говорил своим коллегам: «Я уже все написал, не тратьте зря время».

В 1899 году Рентген стал директором Физического института при Мюнхенском университете. Уже находясь в столице Баварии, он узнал о том, что стал лауреатом Нобелевской премии по физике. Увлеченный исследованиями, Рентген не стал брать патент на свое открытие, подарив его всему человечеству. Кроме того, он отказался от почетной должности члена Академии наук и от дворянского звания.

В 1920 году, вскоре после смерти жены, Рентген вышел в отставку, а 10 февраля 1923 года умер от рака внутренних органов. Проводя свои опыты, он не думал, насколько вредно находиться под воздействием Х‑лучей. Ученый умер от болезни, вызванной его же собственным открытием.

Чарльз Баркла

А тем временем, в 1905 году, английский физик Чарльз Баркла (1877–1944) – кстати, Нобелевский лауреат 1917 года по физике за исследование рентгеновских лучей – провел измерения этих рассеянных лучей, воспользовавшись их способностью разряжать наэлектризованные тела. Интенсивность лучей удавалось определить, измерив скорость, с которой под их действием разряжался электроскоп. Чарльз Баркла в своем блестящем эксперименте исследовал свойства рассеянного излучения, вызвав вторичное его рассеяние. Он нашел, что излучение, рассеянное на 90 градусов, не удавалось снова рассеять на 90 градусов. Это убедительно доказывало то, что рентгеновские лучи – поперечные волны. К сожалению, дальнейшая судьба Чарльза Баркла сложилась печально. После получения Нобелевской премии он изолировался от научного сообщества, игнорировал открытия своих коллег, считая, что его работы настолько совершенны, что не нуждаются в дальнейшем развитии. Известие о гибели на войне младшего сына добило ученого окончательно, и он умер в своем доме в Эдинбурге в октябре 1944 года.

Сторонники корпускулярной теории тоже не бездействовали. В частности, английский физик сэр Уильям‑Генри Брэгг (1862–1942) считал свои данные доказательством того, что рентгеновские лучи представляют собой частицы, а не распространяющиеся волны. Он повторил наблюдения Рентгена и убедился в способности этих лучей разряжать заряженные тела. Этому периоду явных противоречий (а результаты Чарльза Баркла и Уильяма‑Генри Брэгга невозможно было согласовать друг с другом) в 1912 году положил конец один‑единственный эксперимент, который был осуществлен благодаря счастливой комбинации идей и ученых. Этот эксперимент по праву может считаться одним из величайших открытий в физике.

Сначала молодой немецкий физик‑аспирант Пауль Эвальд (1888–1985) обратился к известному физику‑теоретику Максу фон Лауэ (1879–1960). Идея Эвальда, так заинтересовавшая Лауэ, заключалась в следующем: чтобы проверить, являются ли рентгеновские лучи волнами, нужно было провести дифракционный опыт. Однако любая изготовленная искусственно дифрагирующая система заведомо слишком груба. А вот кристалл (естественная дифракционная решетка) – другое дело. Так вот, будет ли происходить дифракция рентгеновских лучей на кристаллах?

Макс фон Лауэ

Макс фон Лауэ не был сильным экспериментатором и нуждался в помощи. По этой причине он обратился за советом к основателю мюнхенской школы теоретической физики Арнольду Зоммерфельду (1868–1951), но тот не поддержал его, заявив, что тепловое движение должно сильно нарушать правильную структуру кристалла. Более того, Зоммерфельд не разрешил и одному из своих ассистентов, Вальтеру Фридриху (1883–1968), тратить время на подобные, как ему казалось, бессмысленные опыты. К счастью, Фридрих придерживался совершенно иной точки зрения, и он с помощью своего друга Пауля Книп‑пинга (1883–1935) втайне все же провел эксперимент. Они выбрали кристалл сульфата меди (CuSO4) – эти белые кристаллы имелись в большинстве лабораторий – и собрали установку. Первые эксперименты не дали результата. В них фотографическая пластинка располагалась между трубкой (источником рентгеновских лучей) и кристаллом, так как считалось, что кристалл должен действовать в качестве отражательной дифракционной решетки. Потом Пауль Книппинг предложил расположить фотопластинки со всех сторон вокруг кристалла. В результате на одной из пластинок, располагавшейся за кристаллом на пути пучка рентгеновских лучей, был обнаружен эффект, который так долго искали.

Таким образом, была открыта дифракция рентгеновских лучей на кристаллах. За это открытие в 1914 году Макс фон Лауэ, предсказавший это явление и опытным путем доказавший волновой характер ренгеновского излучения, был удостоен Нобелевской премии по физике. Отметим, что Пауль Книппинг в 1913 году получил степень доктора наук, а Вальтер Фридрих чуть позднее стал профессором во Фрайбургском, а потом в Берлинском университетах.

В 1913 году кристаллограф Г. В. Вульф (1863–1925) в России и Уильям‑Генри Брэгг‑отец со своим сыном Уильямом‑Лоренсом Брэггом (1890–1971) в Англии повторили опыты Макса фон Лауэ с одним существенным изменением: они направили рентгеновские лучи на кристаллы под разными углами к их поверхности. Сравнение рентгеновских изображений, полученных при этом на фотопластинках, позволило исследователям точно определить расстояния между атомами в кристаллах. Брэгги за это в 1915 году были удостоены Нобелевской премии по физике, и при этом Брэгг‑сын стал самым молодым нобелевским лауреатом по физике за всю историю этой премии.

Так были сделаны два фундаментальных научных открытия: рентгеновские лучи обладают такими же волновыми свойствами, как и световые лучи; с помощью рентгеновских лучей можно исследовать не только внутреннее строение человеческого тела, но и заглянуть в глубь кристаллов.

В медицине с помощью рентгеновских лучей удалось узнать много нового о человеческих недугах, в частности, о переломах костей, об особенностях строения желудка, о расположении язв и опухолей и т. д. Но, как известно, обычно желудок прозрачен для рентгеновских лучей. И тогда придумали кормить больных перед фотографированием суспензией из сернокислого бария (BaSO4), которую назвали «бариевой кашей». Сернокислый барий не является токсичным для организма веществом и значительно менее прозрачен для рентгеновских лучей, чем мускульные ткани или внутренние органы. В результате на рентгеновских снимках стали отлично видны любые сужения или расширения пищеварительных органов человека.

В конечном итоге, мощные источники рентгеновских лучей были найдены и вне пределов Земли. В конце 40‑х годов XX века детекторы рентгеновских лучей на баллистических ракетах были подняты на высоту более 100 км, и они позволили зарегистрировать рентгеновское излучение, испускаемое при солнечных вспышках.

В 60‑70‑е годы были обнаружены другие рентгеновские источники. А нынешние каталоги, составленные на основе спутниковых наблюдений, включают уже тысячи космических источников рентгеновского излучения: остатки сверхновых звезд, центральная область (ядро) Галактики, другие галактики…

Таким образом, измеряя приходящие к Земле потоки рентгеновского излучения, астрономы получили возможность судить о явлениях, происходящих за многие миллиарды километров от нашей планеты. Возникла новая область науки – рентген‑астрономия…