|
100 великих научных открытий
Дмитрий Самин
Основы мироздания
Рентгеновское излучение
В
январе 1896 года над Европой и Америкой прокатился тайфун газетных сообщений
о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма
Конрада Рентгена.
Казалось,
не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей,
как выяснилось позже, Берте Рентген — жене профессора. А профессор Рентген,
запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых
им лучей. Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их
изучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие
радиоактивности.
Немецкий
физик Вильгельм Конрад Рентген (1845—1923) родился в Леннепе, небольшом
городке близ Ремшейда в Пруссии, и был единственным ребенком в семье
преуспевающего торговца текстильными товарами Фридриха Конрада Рентгена и Шарлотты
Констанцы (в девичестве Фровейн) Рентген.
В 1862
году Вильгельм поступил в Утрехтскую техническую школу. В 1865 году Рентгена
зачислили студентом в Федеральный технологический институт в Цюрихе,
поскольку он намеревался стать инженером-механиком. Через три года Вильгельм
получил диплом, а еще через год защитил докторскую диссертацию в Цюрихском
университете. После этого Рентген был назначен Кундтом первым ассистентом в
лаборатории.
Получив
кафедру физики в Вюрцбургском университете (Бавария), Кундт взял с собой и
своего ассистента. Переход в Вюрцбург стал для Рентгена началом
«интеллектуальной одиссеи». В 1872 году он вместе с Кундтом перешел в
Страсбургский университет и в 1874 году начал там свою преподавательскую
деятельность в качестве лектора по физике.
В 1875
году Рентген стал полным (действительным) профессором физики
Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 году вернулся
в Страсбург, чтобы приступить там к чтению курса теоретической физики.
Экспериментальные
исследования, проведенные Рентгеном в Страсбурге, касались разных областей
физики и, по словам его биографа Отто Глазера, снискали Рентгену репутацию
«тонкого классического физика-экспериментатора». В 1879 году Рентген был
назначен профессором физики Гессенского университета, в котором он оставался
до 1888 года, отказавшись от предложений занять кафедру физики
последовательно в университетах Иены и Утрехта. В 1888 году он возвращается в
Вюрцбургский университет в качестве профессора физики и директора Физического
института.
В 1894
году, когда Рентген был избран ректором университета, он приступил к
экспериментальным исследованиям электрического разряда в стеклянных вакуумных
трубках. Вечером 8 ноября 1895 года Рентген, как обычно, работал в своей
лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав
усталость, он собрался уходить, Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел
было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается
светился экран из синеродистого бария.
Почему
он светится? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызвать свечения,
катодная трубка выключена, да и вдобавок закрыта черным чехлом из картона.
Рентген еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, он
забыл ее выключить. Нащупав рубильник, ученый выключил трубку. Исчезло и
свечение экрана; включил трубку вновь — и вновь появилось свечение. Значит,
свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи
задерживаются чехлом, да и воздушный метровый промежуток между трубкой и
экраном для них является броней. Так началось рождение открытия.
Оправившись
от минутного изумления, Рентген начал изучать обнаруженное явление и новые
лучи, названные им икс-лучами. Оставив футляр на трубке, чтобы катодные лучи
были закрыты, он с экраном в руках начал двигаться по лаборатории.
Оказывается, полтора-два метра для этих неизвестных лучей не преграда. Они
легко проникают через книгу, стекло, станиоль... А когда рука ученого
оказалась на пути неизвестных лучей, он увидел на экране силуэт ее костей!
Фантастично
и жутковато! Но это только минута, ибо следующим шагом Рентгена был шаг к
шкафу, где лежали фотопластинки: надо увиденное закрепить на снимке. Так
начался новый ночной эксперимент. Ученый обнаруживает, что лучи засвечивают
пластинку, что они не расходятся сферически вокруг трубки, а имеют
определенное направление...
Утром
обессиленный Рентген ушел домой, чтобы немного передохнуть, а потом вновь
начать работать с неизвестными лучами. Большинство ученых немедленно
опубликовали бы такое открытие. Рентген же считал, что сообщение произведет
большее впечатление, если удастся привести какие-то данные о природе открытых
им лучей, измерив их свойства. Поэтому он пятьдесят дней напряженно работал,
проверяя все предположения, которые только приходили ему в голову. Рентген
доказал, что лучи исходили от трубки, а не от какой-либо другой части
аппаратуры.
Перед
самым Новым годом, 28 декабря 1895 года, Рентген решил познакомить своих
коллег с проделанной работой. На тридцати страницах он описал выполненные
опыты, отпечатал статью в виде отдельной брошюры и разослал ее вместе с
фотографиями ведущим физикам Европы.
«Флюоресценция
видна, — писал Рентген в своем первом сообщении, — при достаточном затемнении
и не зависит от того, подносить ли бумагу стороной, покрытой или не покрытой платино-синеродистым
барием. Флюоресценция заметна еще на расстоянии двух метров от трубки».
«Легко
убедиться, что причины флюоресценции исходят именно от разрядной трубки, а не
от какого-нибудь места проводника». Рентген сделал предположение, что
флюоресценция вызывается какими-то лучами (он назвал их Х-лучами),
проходящими через непроницаемый для обычных световых видимых и невидимых
лучей черный картон чехла трубки. Поэтому он, прежде всего, исследовал
поглощательную способность различных веществ по отношению к Х-лучам. Он
нашел, что все тела проницаемы для этого агента, но в различной степени.
Лучи
проходили через переплетенную книгу в 1000 страниц, через двойную колоду
игральных карт. Еловые доски от 2 до 3 сантиметров толщиной поглощали лучи
очень мало. Алюминиевая пластинка толщиной около 15 миллиметров хоти и сильно
ослабляла лучи, но не уничтожала их полностью.
«Если
держать между разрядной трубкой и экраном руку, то видны темные тени костей в
слабых очертаниях тени самой руки». Лучи действуют на фотографическую
пластинку, причем «можно производить снимки в освещенной комнате, пользуясь
пластинкой, заключенной в кассету или в бумажную оболочку».
Рентген
не мог, однако, обнаружить ни отражения, ни преломления рентгеновских лучей.
Однако он установил, что, если правильное отражение «не имеет места, все же
различные вещества по отношению к Х-лучам ведут себя так же, как и мутные
среды по отношению к свету».
Таким
образом, Рентген установил важный факт рассеяния рентгеновских лучей
веществом.
Однако
все его попытки обнаружить интерференцию рентгеновских лучей дали
отрицательный результат. Отрицательный результат дали и попытки отклонения
лучей магнитным полем. Отсюда Рентген сделал вывод, что Х-лучи не идентичны с
катодными лучами, но возбуждаются ими в стеклянных стенках разрядной трубки.
В заключение своего сообщения Рентген обсуждает вопрос 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 марте
1896 года Рентген выступил со вторым сообщением. В этом сообщении он
описывает опыты по ионизирующему действию лучей и по изучению возбуждения
Х-лучей различными телами. В результате этих исследований он констатировал,
что «не оказалось ни одного твердого тела, которое под действием катодных
лучей не возбуждало бы Х-лучей». Это привело Рентгена к изменению конструкции
трубки для получения интенсивных рентгеновских лучей. «Я несколько недель с
успехом пользуюсь разрядной трубкой следующего устройства. Катодом ее
является вогнутое зеркало из алюминия, в центре кривизны которого под углом
45 градусов к оси зеркала помещается платиновая пластинка, служащая анодом»
«В этой
трубке Х-лучи выходят из анода. Основываясь на опытах с трубками различных
конструкций, я пришел к заключению, что для интенсивности Х-лучей не имеет
значения, является ли место возбуждения лучей анодом или нет». Тем самым
Рентгеном были установлены основные черты конструкции рентгеновских трубок с
алюминиевым катодом и платиновым антикатодом.
Открытие
Рентгена вызвало огромный резонанс не только в научном мире, но и во всем
обществе. Несмотря на скромное название, которое дал своей статье Рентген: «О
новом роде лучей. Предварительное сообщение», она вызвала огромный интерес в
разных странах. Венский профессор Экспер сообщил об открытии новых невидимых
лучей в газету «Новая свободная пресса» В Санкт-Петербурге уже 22 января
1896 года опыты Рентгена были повторены во время лекции в физической
аудитории университета.
Лучи
Рентгена быстро нашли практическое применение в медицине и в технике, но
проблема их природы оставалась одной из важнейших в физике. Рентгеновские
лучи вновь возбудили спор между сторонниками корпускулярной и волновой
природы света, и ставилось множество экспериментов с целью решить проблему.
В 1905
году Чарльз Баркла, Нобелевский лауреат 1917 года за исследование
рентгеновских лучей (1877—1944), провел измерения этих рассеянных лучей,
воспользовавшись способностью лучей Рентгена разряжать наэлектризованные
тела. Интенсивность лучей удавалось определить, измерив скорость, с которой
под их действием разряжался электроскоп, скажем, с золотыми листочками. Баркла
в 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 свидетельствовало
о том, что лучи Рентгена представляют собой поперечные волны.
Сторонники
корпускулярной точки зрения тоже не бездействовали. Уильям Генри Брэгг
(1862—1942) считал свои данные доказательством того, что лучи Рентгена
представляют собой частицы. Он повторил наблюдения Рентгена и убедился в
способности рентгеновских лучей разряжать заряженные тела. Было установлено,
что этот эффект обусловлен образованием ионов в воздухе. Брэгг установил, что
отдельным газовым молекулам передается слишком большая энергия, чтобы
передача ее могла осуществляться лишь малой частью непрерывного волнового
фронта.
Этому
периоду явных противоречий — ибо результаты Баркла и Брэгга невозможно было
согласовать друг с другом — внезапно положил в 1912 году конец
один-единственный эксперимент. Этот эксперимент осуществлен благодаря
счастливой комбинации идей и людей и может считаться одним из величайших
достижений в физике.
Первый
шаг был сделан, когда аспирант Эвальд обратился к физику-теоретику Максу Лауэ
(1879—1960). Идея Эвальда, заинтересовавшая Лауэ, заключалась в следующем.
Чтобы проверить, являются ли рентгеновские лучи волнами, нужно провести
дифракционный опыт. Однако любая искусственная дифрагирующая система заведомо
слишком груба. А вот кристалл является естественной дифракционной решеткой,
значительно более мелкой, чем любая изготовленная искусственно. Не может ли
происходить дифракция рентгеновских лучей на кристаллах?
Лауэ не
был экспериментатором и нуждался в помощи. Он обратился за советом к
Зоммерфельду (1868—1951), но тот не поддержал его, сказав, что тепловое
движение должно сильно нарушать правильную структуру кристалла Зоммерфельд
отказался разрешить одному из своих ассистентов, Фридриху, тратить время на
подобные бессмысленные опыты. К счастью, Фридрих придерживался иного взгляда
и с помощью своего друга Книппинга (1883—1935) втайне провел этот
эксперимент. Они выбрали кристалл сульфата меди — эти кристаллы имелись в
большинстве лабораторий — и собрали установку.
Первая
экспозиция не дала никакого результата; пластинка располагалась между трубкой
— источником рентгеновских лучей — и кристаллом, поскольку считалось, что
кристалл должен действовать как отражательная дифракционная решетка. Во
втором опыте Книппинг настоял на том, чтобы расположить фотографические
пластинки со всех сторон вокруг кристалла: в конце концов, следовало
учитывать любую возможность.
На
одной из пластинок, расположенной за кристаллом на пути пучка рентгеновских
лучей, был обнаружен эффект, который они искали. Так была открыта дифракция
рентгеновских лучей. В 1914 году за это открытие Лауэ был удостоен
Нобелевской премии.
В 1913
году Г. В. Вульф в России, отец и сын Брэгги в Англии повторили опыты Лауэ и
его друзей 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 были удостоены
Нобелевской премии за 1915 год.
Так в
физику пришли два фундаментальных научных факта: 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.
По
рентгеновским снимкам ученые теперь могли легко отличить кристаллы от
аморфных тел, обнаружить сдвиги цепочек атомов в глубине непрозрачных для
света металлов и полупроводников, определить, какие изменения в структуре
кристаллов происходят при сильном нагревании и глубоком охлаждении, при
сжатии и растяжении.
Рентген
не взял патента, подарив свое открытие всему человечеству. Это дало
возможность конструкторам разных стран мира изобретать разнообразные
рентгеновские аппараты.
Врачи
хотели с помощью рентгеновских лучей узнать как можно больше о недугах своих
пациентов Вскоре они смогли судить не только о переломах костей, но и об
особенностях строения желудка, о расположении язв и опухолей. Обычно желудок
прозрачен для рентгеновских лучей, и немецкий ученый Ридер предложил кормить
больных перед фотографированием... кашей из сернокислого бария. Сернокислый
барий безвреден для организма и значительно менее прозрачен для рентгеновских
лучей, чем мускулы или внутренние ткани. На снимках стали видны любые сужения
или расширения пищеварительных органов человека.
В более
поздних рентгеновских трубках поток электронов излучает раскаленная вольфрамовая
спираль, против которой расположен антикатод из тонких пластинок железа или
вольфрама. Из антикатода электроны выбивают сильный поток рентгеновских
лучей.
Мощные
источники лучей Рентгена были найдены вне пределов Земли. В недрах новых и
сверхновых звезд идут процессы, во время которых возникает рентгеновское
излучение большой интенсивности. Измеряя приходящие к Земле потоки
рентгеновского излучения, астрономы могут судить о явлениях, происходящих за
многие миллиарды километров от нашей планеты. Возникла новая область науки — рентгеноастрономия...
Техника
XX века не могла бы без рентгеновского анализа получить в свое распоряжение
то великолепное созвездие разнообразных материалов, которыми она располагает
сегодня.
|
