Савельева Ф.Н., к.т.н.
Получение рентгеновских лучей
В истории физики бывало часто, что противостоящие научные течения распределялись в соответствии с национальностью физиков. Отнюдь не следует считать это проявлением национализма. Это объясняется просто научными связями, личными отношениями, применением одного и того же или аналогичного экспериментального оборудования, а также единым языком.
Поэтому не удивительно, что полуголландец-полунемец Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) приступил к экспериментальному исследованию катодных лучей, придерживаясь взглядов Ленарда, который, как и все немецкие физики того времени, защищал волновую природу катодных лучей.
Будучи чрезвычайно внимательным экспериментатором, уже прославившимся в среде физиков того времени исследованиями в различных областях (сжимаемость жидкостей, удельная теплоемкость газов, магнитное действие диэлектриков, движущихся в электростатическом поле, и т. д.), Рентген с первых же опытов заметил, что фотографические пластины, помещенные вблизи разрядной трубки и защищенные обычным образом от действия света, часто оказывались засвеченными. О действии катодных лучей здесь не могло идти речи, ибо применявшаяся катодная трубка не имела алюминиевого окошка подобно трубке Ленарда и катодные лучи наружу выйти не могли. Очевидно, речь шла о новом явлении, возникающем, как это удалось установить через несколько дней, в разрядной трубке.
8 ноября 1895 г. в Вюрцбурге Рентген наблюдал новое поразительное явление. Если разрядную трубку обернуть черным картоном и поместить возле нее бумажный экран, смоченный с одной стороны платино-синеродистым барием, то при каждом разряде трубки на экране наблюдается флуоресцирующее свечение независимо от того, какая сторона бумаги повернута к трубке — смоченная или сухая.
В этом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимого излучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызвать флуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методически поставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более или менее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает с увеличением плотности тела и его толщины.
«Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это было первое в истории рентгеноскопическое исследование.
Эти новые агенты, которые были названы Рентгеном для краткости Х-лучами, а мы их называем сейчас рентгеновскими лучами, вызывали флуоресценцию не только платино-синеродистого бария, но и других веществ, например фосфоресцирующих соединений кальция, уранового стекла, обычного стекла, известкового шпата, каменной соли и др. Они действуют также на фотопластинки, но не действуют на глаз человека.
Было неясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в призмах из воды и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему показалось, были замечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами. Опыты с мелким порошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным электролитическим методом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого различия в прохождении Х-лучей через порошок и через сплошной образец того же вещества. Отсюда можно было сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни преломления, ни отражения и что отсутствие этих явлений подтверждается тем, что Х-лучи невозможно сконцентрировать линзами.
Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом трубки. Действительно, отклоняя магнитом катодные лучи внутрь трубки, можно заметить одновременное смещение точки образования Х-лучей, всегда совпадающей с точкой, где кончаются катодные лучи. Для образования этого нового излучения не обязательно, чтобы катодные лучи соударялись именно со стеклом: это явление наблюдается и в разрядной трубке, изготовленной из алюминия.
Природа этого нового излучения оставалась загадочной. Одно было ясно — излучение это нельзя отождествлять с катодными лучами. Как и катодные лучи, оно вызывало флуоресценцию, оказывало химическое воздействие, распространялось прямолинейно и, следовательно, образовывало тени. Но Х-лучи не обладали характерным свойством катодных лучей — не отклонялись магнитным полем. Может быть, они той же природы, что и ультрафиолетовое излучение? Но тогда они должны были бы заметно отражаться, преломляться, поляризоваться. Учитывая наличие определенного сходства между Х-лучами и световыми, можно было предполагать, что в отличие от видимого излучения, которое есть не что иное, как поперечные колебания эфира, Х-лучи являются продольными колебаниями. Не могут ли оказаться Х-лучи проявлением этих продольных колебаний эфира, существование которых физикам до сих пор не удавалось установить?
Этим вопросом, повторяющим попытку объяснения природы катодных лучей, заканчивается первая работа Рентгена об Х-лучах, доложенная в декабре 1895 г. в Физическом институте Вюрцбургского университета.
Во второй работе, доложенной 5 марта 1896 г., содержалось два новых существенных факта. Первый был открыт Аугусто Риги, который едва ли знал об опытах Рентгена: под действием Х-лучей наэлектризованные тела разряжаются. Действуют не сами Х-лучи, а пронизываемый ими воздух, который приобретает свойство разряжать наэлектризованные тела. Вторым важным фактом, упомянутым еще в первой работе Рентгена, было то, что Х-лучи получаются при попадании катодных лучей не только на стекло разрядных трубок, но и на любое тело, не исключая жидкостей и газов. В зависимости от природы тела, на которое попадают катодные лучи, интенсивность получающегося Х-излучения оказывается различной. Эти наблюдения привели Рентгена уже в феврале 1896 г. к разработке трубки «фокус», в которой «катодом служит вогнутое зеркало из алюминия», а анодом — платиновая пластинка, помещенная в центре кривизны зеркала и наклоненная под углом 45° к оси зеркала. До появления термоэлектронных приборов трубки «фокус» были единственными установками для получения рентгеновских лучей при медицинских и физических исследованиях.
Новое открытие, о возможности применения которого в медицине и хирургии вскоре стали догадываться, взволновало не только ученых, но и широкую публику. Физические лаборатории осаждались врачами и больными. На бесчисленных публичных выступлениях с демонстрацией опытов вид скелета живых людей производил сильное впечатление и вызывал даже истерики среди присутствовавших. Рентген способствовал быстрому распространению своего открытия, со свойственным ему бескорыстием отказавшись от всякой возможности извлечь из него прибыль. Этот всеобщий интерес в немалой мере способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники. В нашу задачу не входит рассмотрение ее развития. Достаточно, пожалуй, одной лишь цифры, чтобы дать представление о пройденном пути: в 1896 г. рентгенография руки требовала экспозиции 20 минут, сейчас для этого достаточно ничтожной доли секунды.
Открытие рентгеновских лучей привело к необычайно важным последствиям как в области научных исследований, так и в области практических приложений—в медицине и в промышленности. Можно, пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретения начинается новая история.
10 д
Природа рентгеновских лучей
По мере того как область применения рентгеновских лучей расширялась, исследование их происхождения и их природы становилось все более насущной необходимостью теоретической физики.
Первое объяснение происхождения рентгеновских лучей, данное самим Рентгеном, было вскоре принято единодушно: рентгеновские лучи возникают при соударении катодных лучей, т. е. электронов, с телами, в частности с антикатодом разрядной трубки.
Но какова их природа? Гипотеза Рентгена о том, что это продольные волны, была неприемлема по ряду причин. Нельзя было также согласиться с выдвигавшейся первое время гипотезой о корпускулярном характере рентгеновского излучения. Согласно электромагнитной теории, быстрое изменение скорости заряженного тела вызывает электромагнитное излучение, так что если принять, что причиной рентгеновских лучей является резкое торможение электронов на антикатоде (а такое предположение кажется необходимым), то мы приходим к заключению, что рентгеновские лучи представляют собой электромагнитное излучение. Но как же тогда объяснить, что для рентгеновских лучей не удается наблюдать обычных оптических явлений — отражения, преломления, поляризации, дифракции? На это отвечали так: электромагнитное возмущение, возникающее при соударении электронов с антикатодом, не является периодическим; отсутствие периодичности, т. е. отсутствие определенной длины волны, могло бы объяснить аномальное поведение рентгеновских лучей по сравнению с обычными электромагнитными волнами. За неимением лучшего вплоть до 1912 г. физики удовлетворялись таким объяснением.
Однако многие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательных результатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах с рентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущение волнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточно положить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, чтобы объяснить все особенности их поведения.
Это легко понять из аналогии со звуком, часто применявшейся в учебных целях в первом десятилетии нашего века. Звуковые волны, длина волны которых изменяется от долей сантиметра до 20 м и более, отражаются от тел достаточно больших размеров, например от стены. А от тел малых размеров, скажем от вертикального столба в поле, они не отражаются. Это объясняется тем, что в образовании отраженной волны должно участвовать большое число элементарных волн, исходящих из всех точек препятствия, на которые падает волна. Как из того факта, что звуковая волна не отражается от отдельного столба, нельзя делать вывода об отсутствии периодичности в волне, так и из того, что нет или не обнаружено отражения рентгеновских лучей, нельзя делать вывода о том, что они не имеют волновой структуры. Достаточно было бы положить длину волны рентгеновских лучей меньше расстояния между молекулами вещества, чтобы каждая молекула вела себя как отдельный вертикальный столб в случае звуковой волны, так что не было бы никакого отражения, а была бы лишь дифракция рентгеновских лучей.
Физики, придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить не отражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, что диктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.
Но искусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишком грубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесения штрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодому немецкому физику Максу Лауэ (1879— 1959), ученику Макса Планка, пришла в голову смелая идея. Была известна старая теория строения кристаллов, восходящая еще к Аюй. Эта теория, исходя из характерного явления регулярного отслоения кристаллов, принимала, что кристаллы образуются совокупностью тесно примыкающих чрезвычайно малых частиц в форме параллелепипеда, названных Аюй «интегрирующими молекулами». Позднее Л. Зеебер (1835 г.), Г. Делафосс (1843 г.) и в наиболее цельной форме А. Браве (1849—1851 гг.) модернизировали представления Аюй, заменив «интегрирующие молекулы» точечными молекулами, расположенными на постоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярном каркасе.
Если кристалл действительно обладает структурой, предполагаемой Браве, то он должен вести себя как дифракционная решетка, или, вернее, как совокупность дифракционных решеток с параллельными плоскостями, т. е. пространственная решетка, как ее называют. Если бы была установлена дифракция рентгеновских лучей на кристаллах, то одновременно были бы так сказать, убиты два зайца: доказана волновая природа рентгеновских лучей и дано экспериментальное подтверждение гипотезе Браве о строении кристаллов.
Разработав количественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий опыт в Мюнхене совместно с Паулем Книппингом (1883—1935) и Вальтером Фридрихом (род. в 1883 г.). Примененная для эксперимента установка была довольно простой: определенное количество параллельных свинцовых пластинок защищало небольшой кристалл (например, каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовых пластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по одной прямой. Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на кристалл и далее проходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от стороннего облучения. После нескольких часов экспозиции пластинка была проявлена. Было обнаружено темное пятно на линии центров отверстий в свинцовых пластинах, обусловленное прямым действием рентгеновских лучей, и большое число других пятен различной интенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна, в соответствии с симметрией кристалла.
Этот опыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и всесторонне проанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся на фотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины. На основе полученных результатов Брэгги (отец и сын) предложили модификацию теории Браве, предположив, что в узлах кристаллической решетки располагаются атомы кристалла, па которых и происходит дифракция. Ясно, что принятие физиками теории Брэггов привело к коренному изменению традиционного представления о молекуле. Мы не можем здесь входить в детали теории Лауэ и обсуждать многочисленные теоретические и экспериментальные следствия из нее. Достаточно отметить лишь два обстоятельства: исследование дифракционных фигур позволяет определить длину волны применяемого рентгеновского излучения, а зная длину волны, можно получить сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновских лучей оказались в среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимого света, т. е. намного короче длин волн ультрафиолетового излучения. Рентгеновские лучи тоже дают целый спектр волн, аналогичный спектру видимого излучения.