СавельеваФ.Н., к.т.н.
Получениерентгеновскихлучей
В истории физикибывало часто, что противостоящиенаучные теченияраспределялисьв соответствиис национальностьюфизиков. Отнюдьне следуетсчитать этопроявлениемнационализма.Это объясняетсяпросто научнымисвязями, личнымиотношениями, применениемодного и тогоже или аналогичногоэкспериментальногооборудования, а также единымязыком.
Поэтому неудивительно, что полуголландец-полунемецВильгельмКонрад Рентген(1845—1923) приступилк экспериментальномуисследованиюкатодных лучей, придерживаясьвзглядов Ленарда, который, каки все немецкиефизики тоговремени, защищалволновую природукатодных лучей.
Будучи чрезвычайновнимательнымэкспериментатором, уже прославившимсяв среде физиковтого времениисследованиямив различныхобластях (сжимаемостьжидкостей, удельная теплоемкостьгазов, магнитноедействиедиэлектриков, движущихсяв электростатическомполе, и т. д.), Рентгенс первых жеопытов заметил, что фотографическиепластины, помещенныевблизи разряднойтрубки и защищенныеобычным образомот действиясвета, частооказывалисьзасвеченными.О действиикатодных лучейздесь не моглоидти речи, ибоприменявшаясякатодная трубкане имела алюминиевогоокошка подобнотрубке Ленардаи катодные лучинаружу выйтине могли. Очевидно, речь шла о новомявлении, возникающем, как это удалосьустановитьчерез несколькодней, в разряднойтрубке.
8 ноября 1895 г. вВюрцбургеРентген наблюдалновое поразительноеявление. Еслиразряднуютрубку обернутьчерным картономи поместитьвозле нее бумажныйэкран, смоченныйс одной стороныплатино-синеродистымбарием, то прикаждом разрядетрубки на экраненаблюдаетсяфлуоресцирующеесвечение независимоот того, какаясторона бумагиповернута ктрубке — смоченнаяили сухая.
В этом опытепрежде всегопоражает то, что абсолютнонепрозрачныйдля видимогоизлучения иультрафиолетачерный картонпропускаетчто-то, способноевызвать флуоресценциюэкрана. Этотэффект получалсяне только скартоном: методическипоставленнаясерия специальныхопытов показала, что для этогоагента болееили менее прозрачнывсе тела. Точнееговоря, прозрачностьубывает с увеличениемплотности телаи его толщины.
«Если держатьруку междуразряднойтрубкой и экраном, то видны темныетени костейна фоне болеесветлых очертанийруки». Это былопервое в историирентгеноскопическоеисследование.
Эти новые агенты, которые былиназваны Рентгеномдля краткостиХ-лучами, а мыих называемсейчас рентгеновскимилучами, вызывалифлуоресценциюне толькоплатино-синеродистогобария, но и другихвеществ, напримерфосфоресцирующихсоединенийкальция, урановогостекла, обычногостекла, известковогошпата, каменнойсоли и др. Онидействуют такжена фотопластинки, но не действуютна глаз человека.
Было неясно, преломляютсяли эти лучи.Рентген необнаружилпреломленияв призмах изводы и сероуглерода.Некоторыепризнаки преломления, как ему показалось, были замеченыв опытах сэбонитовымии алюминиевымипризмами. Опытыс мелким порошкомкаменной соли, с серебрянымпорошком, полученнымэлектролитическимметодом, и сцинковым порошкомне обнаружилиникакого различияв прохожденииХ-лучей черезпорошок и черезсплошной образецтого же вещества.Отсюда можнобыло сделатьвывод, что Х-лучине испытываютни преломления, ни отраженияи что отсутствиеэтих явленийподтверждаетсятем, что Х-лучиневозможносконцентрироватьлинзами.
Х-лучи возникаютв точке, гдекатодные лучисоударяютсясо стекломтрубки. Действительно, отклоняя магнитомкатодные лучивнутрь трубки, можно заметитьодновременноесмещение точкиобразованияХ-лучей, всегдасовпадающейс точкой, гдекончаютсякатодные лучи.Для образованияэтого новогоизлучения необязательно, чтобы катодныелучи соударялисьименно со стеклом: это явлениенаблюдаетсяи в разряднойтрубке, изготовленнойиз алюминия.
Природа этогонового излученияоставаласьзагадочной.Одно было ясно— излучениеэто нельзяотождествлятьс катоднымилучами. Как икатодные лучи, оно вызывалофлуоресценцию, оказывалохимическоевоздействие, распространялосьпрямолинейнои, следовательно, образовывалотени. Но Х-лучине обладалихарактернымсвойствомкатодных лучей— не отклонялисьмагнитнымполем. Можетбыть, они тойже природы, чтои ультрафиолетовоеизлучение? Нотогда они должныбыли бы заметноотражаться, преломляться, поляризоваться.Учитывая наличиеопределенногосходства междуХ-лучами и световыми, можно былопредполагать, что в отличиеот видимогоизлучения, которое естьне что иное, как поперечныеколебанияэфира, Х-лучиявляются продольнымиколебаниями.Не могут лиоказатьсяХ-лучи проявлениемэтих продольныхколебанийэфира, существованиекоторых физикамдо сих пор неудавалосьустановить?
Этим вопросом, повторяющимпопытку объясненияприроды катодныхлучей, заканчиваетсяпервая работаРентгена обХ-лучах, доложеннаяв декабре 1895 г.в ФизическоминститутеВюрцбургскогоуниверситета.
Во второй работе, доложенной5 марта 1896 г., содержалосьдва новыхсущественныхфакта. Первыйбыл открытАугусто Риги, который едвали знал об опытахРентгена: поддействиемХ-лучей наэлектризованныетела разряжаются.Действуют несами Х-лучи, апронизываемыйими воздух, который приобретаетсвойство разряжатьнаэлектризованныетела. Вторымважным фактом, упомянутымеще в первойработе Рентгена, было то, чтоХ-лучи получаютсяпри попаданиикатодных лучейне только настекло разрядныхтрубок, но и налюбое тело, неисключая жидкостейи газов. В зависимостиот природытела, на котороепопадают катодныелучи, интенсивностьполучающегосяХ-излученияоказываетсяразличной. Этинаблюденияпривели Рентгенауже в феврале1896 г. к разработкетрубки «фокус», в которой «катодомслужит вогнутоезеркало изалюминия», аанодом — платиноваяпластинка, помещеннаяв центре кривизнызеркала и наклоненнаяпод углом 45° коси зеркала.До появлениятермоэлектронныхприборов трубки«фокус» былиединственнымиустановкамидля получениярентгеновскихлучей при медицинскихи физическихисследованиях.
Новое открытие, о возможностиприменениякоторого вмедицине ихирургии вскорестали догадываться, взволновалоне только ученых, но и широкуюпублику. Физическиелабораторииосаждалисьврачами и больными.На бесчисленныхпубличныхвыступленияхс демонстрациейопытов видскелета живыхлюдей производилсильное впечатлениеи вызывал дажеистерики средиприсутствовавших.Рентген способствовалбыстромураспространениюсвоего открытия, со свойственнымему бескорыстиемотказавшисьот всякой возможностиизвлечь из негоприбыль. Этотвсеобщий интересв немалой мереспособствовалбыстрому прогрессурентгенотехники.В нашу задачуне входитрассмотрениеее развития.Достаточно, пожалуй, однойлишь цифры, чтобы датьпредставлениео пройденномпути: в 1896 г. рентгенографияруки требовалаэкспозиции20 минут, сейчасдля этого достаточноничтожной долисекунды.
Открытиерентгеновскихлучей привелок необычайноважным последствиямкак в областинаучных исследований, так и в областипрактическихприложений—вмедицине и впромышленности.Можно, пожалуй, без преувеличениясказать, чтос этого изобретенияначинаетсяновая история.
10 декабря 1901 г. вбольшом залеМузыкальнойакадемии вСтокгольмев присутствиинаследногопринца Швеции, представлявшегокороля, комитетпо присуждениюНобелевскихпремий в знакпризнательностиученых и человечестваприсудил Рентгенупервую Нобелевскуюпремию по физике.Теперь можетпоказатьсясимволичным, что впервыестоль почетныймеждународныйзнак отличиябыл присужденименно за открытиерентгеновскихлучей.
Природарентгеновскихлучей
По мере тогокак областьприменениярентгеновскихлучей расширялась, исследованиеих происхожденияи их природыстановилосьвсе более насущнойнеобходимостьютеоретическойфизики.
Первое объяснениепроисхождениярентгеновскихлучей, данноесамим Рентгеном, было вскорепринято единодушно: рентгеновскиелучи возникаютпри соударениикатодных лучей, т. е. электронов, с телами, в частностис антикатодомразряднойтрубки.
Но какова ихприрода? ГипотезаРентгена о том, что это продольныеволны, быланеприемлемапо ряду причин.Нельзя былотакже согласитьсяс выдвигавшейсяпервое времягипотезой окорпускулярномхарактерерентгеновскогоизлучения.Согласноэлектромагнитнойтеории, быстроеизменениескорости заряженноготела вызываетэлектромагнитноеизлучение, такчто если принять, что причинойрентгеновскихлучей являетсярезкое торможениеэлектроновна антикатоде(а такое предположениекажется необходимым), то мы приходимк заключению, что рентгеновскиелучи представляютсобой электромагнитноеизлучение. Нокак же тогдаобъяснить, чтодля рентгеновскихлучей не удаетсянаблюдатьобычных оптическихявлений — отражения, преломления, поляризации, дифракции? Наэто отвечалитак: электромагнитноевозмущение, возникающеепри соударенииэлектроновс антикатодом, не являетсяпериодическим; отсутствиепериодичности, т. е. отсутствиеопределеннойдлины волны, могло бы объяснитьаномальноеповедениерентгеновскихлучей по сравнениюс обычнымиэлектромагнитнымиволнами. Занеимениемлучшего вплотьдо 1912 г. физикиудовлетворялисьтаким объяснением.
Однако многиефизики обращаливнимание нато, что дляобъясненияотрицательныхрезультатовпопыток наблюденияобычных оптическихявлений в опытахс рентгеновскимилучами совсемне обязательнолишать электромагнитноевозмущениеволновогохарактера, прикотором оносходно со световымиволнами. Достаточноположить длинуволны рентгеновскихлучей чрезвычайномалой, чтобыобъяснить всеособенностиих поведения.
Это легко понятьиз аналогиисо звуком, частоприменявшейсяв учебных целяхв первом десятилетиинашего века.Звуковые волны, длина волныкоторых изменяетсяот долей сантиметрадо 20 м и более, отражаютсяот тел достаточнобольших размеров, например отстены. А от телмалых размеров, скажем отвертикальногостолба в поле, они не отражаются.Это объясняетсятем, что в образованииотраженнойволны должноучаствоватьбольшое числоэлементарныхволн, исходящихиз всех точекпрепятствия, на которыепадает волна.Как из тогофакта, что звуковаяволна не отражаетсяот отдельногостолба, нельзяделать выводаоб отсутствиипериодичностив волне, так ииз того, чтонет или не обнаруженоотражениярентгеновскихлучей, нельзяделать выводао том, что онине имеют волновойструктуры.Достаточнобыло бы положитьдлину волнырентгеновскихлучей меньшерасстояниямежду молекуламивещества, чтобыкаждая молекулавела себя какотдельныйвертикальныйстолб в случаезвуковой волны, так что не былобы никакогоотражения, абыла бы лишьдифракциярентгеновскихлучей.
Физики, придерживавшиесяэтой точкизрения, естественно, пытались обнаружитьне отражение, а дифракциюрентгеновскихлучей на чрезвычайнотонких щелях, что диктовалосьпредполагаемоймалостью длиныволны рентгеновскихлучей.
Но искусственносделанные щели, как бы тонкиони ни были, оказывалисьслишком грубыми, да и ясно было, что едва лиможно найтимеханическийспособ нанесенияштрихов, удаленныхна расстояниепорядка молекулярныхразмеров. Новот молодомунемецкомуфизику МаксуЛауэ (1879— 1959), ученикуМакса Планка, пришла в головусмелая идея.Была известнастарая теориястроения кристаллов, восходящаяеще к Аюй. Этатеория, исходяиз характерногоявления регулярногоотслоениякристаллов, принимала, чтокристаллыобразуютсясовокупностьютесно примыкающихчрезвычайномалых частицв форме параллелепипеда, названных Аюй«интегрирующимимолекулами».Позднее Л. Зеебер(1835 г.), Г. Делафосс(1843 г.) и в наиболеецельной формеА. Браве (1849—1851 гг.)модернизировалипредставленияАюй, заменив«интегрирующиемолекулы»точечнымимолекулами, расположеннымина постоянныхчрезвычайномалых расстоянияхдруг от другаво вполне регулярномкаркасе.
Если кристаллдействительнообладает структурой, предполагаемойБраве, то ондолжен вестисебя как дифракционнаярешетка, или, вернее, каксовокупностьдифракционныхрешеток спараллельнымиплоскостями, т. е. пространственнаярешетка, какее называют.Если бы былаустановленадифракциярентгеновскихлучей на кристаллах, то одновременнобыли бы таксказать, убитыдва зайца: доказанаволновая природарентгеновскихлучей и даноэкспериментальноеподтверждениегипотезе Бравео строениикристаллов.
Разработавколичественнуютеорию этогоявления, Лауэпровел соответствующийопыт в Мюнхенесовместно сПаулем Книппингом(1883—1935) и ВальтеромФридрихом (род.в 1883 г.). Примененнаядля экспериментаустановка быладовольно простой: определенноеколичествопараллельныхсвинцовыхпластинокзащищало небольшойкристалл (например, каменной соли)от прямоговоздействиярентгеновскихлучей. Во всехсвинцовыхпластинах былипроделаныкрошечныеотверстия, расположенныепо одной прямой.Проходя этиотверстия, пучок рентгеновскихлучей попадална кристалли далее проходилна фотопластинку, защищеннуючерной бумагойот стороннегооблучения.После несколькихчасов экспозициипластинка былапроявлена. Былообнаруженотемное пятнона линии центровотверстий всвинцовыхпластинах, обусловленноепрямым действиемрентгеновскихлучей, и большоечисло другихпятен различнойинтенсивности, расположенныхрегулярнымобразом вокругцентральногопятна, в соответствиис симметриейкристалла.
Этот опыт вскоребыл повторенмногими физикамив различныхвариантах ивсестороннепроанализирован.Все это привелок заключению, что получающиесяна фотопластинкахфигуры действительнопредставляютсобой дифракционныекартины. Наоснове полученныхрезультатовБрэгги (отеци сын) предложилимодификациютеории Браве, предположив, что в узлахкристаллическойрешетки располагаютсяатомы кристалла, па которых ипроисходитдифракция.Ясно, что принятиефизиками теорииБрэггов привелок коренномуизменениютрадиционногопредставленияо молекуле. Мыне можем здесьвходить в деталитеории Лауэи обсуждатьмногочисленныетеоретическиеи экспериментальныеследствия изнее. Достаточноотметить лишьдва обстоятельства: исследованиедифракционныхфигур позволяетопределитьдлину волныприменяемогорентгеновскогоизлучения, азная длинуволны, можнополучить сведенияо структурекристалла.Длины волнрентгеновскихлучей оказалисьв среднем втысячу разменьше среднейдлины волнывидимого света, т. е. намногокороче длинволн ультрафиолетовогоизлучения.Рентгеновскиелучи тоже даютцелый спектрволн, аналогичныйспектру видимогоизлучения.