Савельева Ф.Н., к.т.н.
Получение рентгеновских лучей
Вистории физики бывало часто, что противостоящие научные течения распределялисьв соответствии с национальностью физиков. Отнюдь не следует считать этопроявлением национализма. Это объясняется просто научными связями, личнымиотношениями, применением одного и того же или аналогичного экспериментальногооборудования, а также единым языком.
Поэтомуне удивительно, что полуголландец-полунемец Вильгельм Конрад Рентген(1845—1923) приступил к экспериментальному исследованию катодных лучей,придерживаясь взглядов Ленарда, который, как и все немецкие физики тоговремени, защищал волновую природу катодных лучей.
Будучичрезвычайно внимательным экспериментатором, уже прославившимся в среде физиковтого времени исследованиями в различных областях (сжимаемость жидкостей,удельная теплоемкость газов, магнитное действие диэлектриков, движущихся вэлектростатическом поле, и т. д.), Рентген с первых же опытов заметил, чтофотографические пластины, помещенные вблизи разрядной трубки и защищенныеобычным образом от действия света, часто оказывались засвеченными. О действиикатодных лучей здесь не могло идти речи, ибо применявшаяся катодная трубка неимела алюминиевого окошка подобно трубке Ленарда и катодные лучи наружу выйтине могли. Очевидно, речь шла о новом явлении, возникающем, как это удалосьустановить через несколько дней, в разрядной трубке.
8ноября 1895 г. в Вюрцбурге Рентген наблюдал новое поразительное явление. Еслиразрядную трубку обернуть черным картоном и поместить возле нее бумажный экран,смоченный с одной стороны платино-синеродистым барием, то при каждом разрядетрубки на экране наблюдается флуоресцирующее свечение независимо от того, какаясторона бумаги повернута к трубке — смоченная или сухая.
Вэтом опыте прежде всего поражает то, что абсолютно непрозрачный для видимогоизлучения и ультрафиолета черный картон пропускает что-то, способное вызватьфлуоресценцию экрана. Этот эффект получался не только с картоном: методическипоставленная серия специальных опытов показала, что для этого агента более илименее прозрачны все тела. Точнее говоря, прозрачность убывает с увеличениемплотности тела и его толщины.
«Еслидержать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны темные тени костей нафоне более светлых очертаний руки». Это было первое в историирентгеноскопическое исследование.
Этиновые агенты, которые были названы Рентгеном для краткости Х-лучами, а мы ихназываем сейчас рентгеновскими лучами, вызывали флуоресценцию не толькоплатино-синеродистого бария, но и других веществ, например фосфоресцирующихсоединений кальция, уранового стекла, обычного стекла, известкового шпата,каменной соли и др. Они действуют также на фотопластинки, но не действуют наглаз человека.
Былонеясно, преломляются ли эти лучи. Рентген не обнаружил преломления в призмах изводы и сероуглерода. Некоторые признаки преломления, как ему показалось, былизамечены в опытах с эбонитовыми и алюминиевыми призмами. Опыты с мелкимпорошком каменной соли, с серебряным порошком, полученным электролитическимметодом, и с цинковым порошком не обнаружили никакого различия в прохожденииХ-лучей через порошок и через сплошной образец того же вещества. Отсюда можнобыло сделать вывод, что Х-лучи не испытывают ни преломления, ни отражения и чтоотсутствие этих явлений подтверждается тем, что Х-лучи невозможносконцентрировать линзами.
Х-лучивозникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом трубки.Действительно, отклоняя магнитом катодные лучи внутрь трубки, можно заметитьодновременное смещение точки образования Х-лучей, всегда совпадающей с точкой,где кончаются катодные лучи. Для образования этого нового излучения необязательно, чтобы катодные лучи соударялись именно со стеклом: это явлениенаблюдается и в разрядной трубке, изготовленной из алюминия.
Природаэтого нового излучения оставалась загадочной. Одно было ясно — излучение этонельзя отождествлять с катодными лучами. Как и катодные лучи, оно вызывалофлуоресценцию, оказывало химическое воздействие, распространялось прямолинейнои, следовательно, образовывало тени. Но Х-лучи не обладали характернымсвойством катодных лучей — не отклонялись магнитным полем. Может быть, они тойже природы, что и ультрафиолетовое излучение? Но тогда они должны были бызаметно отражаться, преломляться, поляризоваться. Учитывая наличиеопределенного сходства между Х-лучами и световыми, можно было предполагать, чтов отличие от видимого излучения, которое есть не что иное, как поперечныеколебания эфира, Х-лучи являются продольными колебаниями. Не могут ли оказатьсяХ-лучи проявлением этих продольных колебаний эфира, существование которыхфизикам до сих пор не удавалось установить?
Этимвопросом, повторяющим попытку объяснения природы катодных лучей, заканчиваетсяпервая работа Рентгена об Х-лучах, доложенная в декабре 1895 г. в Физическом институте Вюрцбургского университета.
Вовторой работе, доложенной 5 марта 1896 г., содержалось два новых существенных факта. Первый был открыт Аугусто Риги, который едва ли знал об опытахРентгена: под действием Х-лучей наэлектризованные тела разряжаются. Действуютне сами Х-лучи, а пронизываемый ими воздух, который приобретает свойстворазряжать наэлектризованные тела. Вторым важным фактом, упомянутым еще в первойработе Рентгена, было то, что Х-лучи получаются при попадании катодных лучей нетолько на стекло разрядных трубок, но и на любое тело, не исключая жидкостей игазов. В зависимости от природы тела, на которое попадают катодные лучи,интенсивность получающегося Х-излучения оказывается различной. Эти наблюденияпривели 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 единственнымиустановками для получения рентгеновских лучей при медицинских и физическихисследованиях.
Новоеоткрытие, о возможности применения которого в медицине и хирургии вскоре сталидогадываться, взволновало не только ученых, но и широкую публику. Физическиелаборатории осаждались врачами и больными. На бесчисленных публичныхвыступлениях с демонстрацией опытов вид скелета живых людей производил сильноевпечатление и вызывал даже истерики среди присутствовавших. Рентгенспособствовал быстрому распространению своего открытия, со свойственным емубескорыстием отказавшись от всякой возможности извлечь из него прибыль. Этотвсеобщий интерес в немалой мере способствовал быстрому прогрессурентгенотехники. 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 долисекунды.
Открытиерентгеновских лучей привело к необычайно важным последствиям как в областинаучных исследований, так и в области практических приложений—в медицине и впромышленности. Можно, пожалуй, без преувеличения сказать, что с этого изобретенияначинается новая история.
10декабря 1901 г. в большом зале Музыкальной академии в Стокгольме в присутствиинаследного принца Швеции, представлявшего короля, комитет по присуждениюНобелевских премий в знак признательности ученых и человечества присудилРентгену первую Нобелевскую премию по физике. Теперь может показатьсясимволичным, что впервые столь почетный международный знак отличия был присужденименно за открытие рентгеновских лучей.
Природа рентгеновских лучей
Помере того как область применения рентгеновских лучей расширялась, исследованиеих происхождения и их природы становилось все более насущной необходимостьютеоретической физики.
Первоеобъяснение происхождения рентгеновских лучей, данное самим Рентгеном, быловскоре принято единодушно: рентгеновские лучи возникают при соударении катодныхлучей, т. е. электронов, с телами, в частности с антикатодом разрядной трубки.
Нокакова их природа? Гипотеза Рентгена о том, что это продольные волны, быланеприемлема по ряду причин. Нельзя было также согласиться с выдвигавшейсяпервое время гипотезой о корпускулярном характере рентгеновского излучения.Согласно электромагнитной теории, быстрое изменение скорости заряженного телавызывает электромагнитное излучение, так что если принять, что причинойрентгеновских лучей является резкое торможение электронов на антикатоде (атакое предположение кажется необходимым), то мы приходим к заключению, что рентгеновскиелучи 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 сантикатодом, не является периодическим; отсутствие периодичности, т. е.отсутствие определенной длины волны, могло бы объяснить аномальное поведениерентгеновских лучей по сравнению с обычными электромагнитными волнами. Занеимением лучшего вплоть до 1912 г. физики удовлетворялись таким объяснением.
Однакомногие физики обращали внимание на то, что для объяснения отрицательныхрезультатов попыток наблюдения обычных оптических явлений в опытах срентгеновскими лучами совсем не обязательно лишать электромагнитное возмущениеволнового характера, при котором оно сходно со световыми волнами. Достаточноположить длину волны рентгеновских лучей чрезвычайно малой, чтобы объяснить всеособенности их поведения.
Этолегко понять из аналогии со звуком, часто применявшейся в учебных целях впервом десятилетии нашего века. Звуковые волны, длина волны которых изменяетсяот долей сантиметра до 20 м и более, отражаются от тел достаточно большихразмеров, например от стены. А от тел малых размеров, скажем от вертикальногостолба в поле, они не отражаются. Это объясняется тем, что в образованииотраженной волны должно участвовать большое число элементарных волн, исходящихиз всех точек препятствия, на которые падает волна. Как из того факта, чтозвуковая волна не отражается от отдельного столба, нельзя делать вывода оботсутствии периодичности в волне, так и из того, что нет или не обнаруженоотражения рентгеновских лучей, нельзя делать вывода о том, что они не имеютволновой структуры. Достаточно было бы положить длину волны рентгеновских лучейменьше расстояния между молекулами вещества, чтобы каждая молекула вела себякак отдельный вертикальный столб в случае звуковой волны, так что не было быникакого отражения, а была бы лишь дифракция рентгеновских лучей.
Физики,придерживавшиеся этой точки зрения, естественно, пытались обнаружить неотражение, а дифракцию рентгеновских лучей на чрезвычайно тонких щелях, чтодиктовалось предполагаемой малостью длины волны рентгеновских лучей.
Ноискусственно сделанные щели, как бы тонки они ни были, оказывались слишкомгрубыми, да и ясно было, что едва ли можно найти механический способ нанесенияштрихов, удаленных на расстояние порядка молекулярных размеров. Но вот молодомунемецкому физику Максу Лауэ (1879— 1959), ученику Макса Планка, пришла в головусмелая идея. Была известна старая теория строения кристаллов, восходящая еще кАюй. Эта теория, исходя из характерного явления регулярного отслоениякристаллов, принимала, что кристаллы образуются совокупностью тесно примыкающихчрезвычайно малых частиц в форме параллелепипеда, названных Аюй «интегрирующимимолекулами». 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 напостоянных чрезвычайно малых расстояниях друг от друга во вполне регулярномкаркасе.
Есликристалл действительно обладает структурой, предполагаемой Браве, то он долженвести себя как дифракционная решетка, или, вернее, как совокупностьдифракционных решеток с параллельными плоскостями, т. е. пространственнаярешетка, как ее называют. Если бы была установлена дифракция рентгеновскихлучей на кристаллах, то одновременно были бы так сказать, убиты два зайца:доказана волновая природа рентгеновских лучей и дано экспериментальноеподтверждение гипотезе Браве о строении кристаллов.
Разработавколичественную теорию этого явления, Лауэ провел соответствующий опыт в Мюнхенесовместно с Паулем Книппингом (1883—1935) и Вальтером Фридрихом (род. в 1883 г.). Примененная для эксперимента установка была довольно простой: определенное количествопараллельных свинцовых пластинок защищало небольшой кристалл (например,каменной соли) от прямого воздействия рентгеновских лучей. Во всех свинцовыхпластинах были проделаны крошечные отверстия, расположенные по одной прямой.Проходя эти отверстия, пучок рентгеновских лучей попадал на кристалл и далеепроходил на фотопластинку, защищенную черной бумагой от стороннего облучения.После нескольких часов экспозиции пластинка была проявлена. Было обнаруженотемное пятно на линии центров отверстий в свинцовых пластинах, обусловленноепрямым действием рентгеновских лучей, и большое число других пятен различнойинтенсивности, расположенных регулярным образом вокруг центрального пятна, всоответствии с симметрией кристалла.
Этотопыт вскоре был повторен многими физиками в различных вариантах и всестороннепроанализирован. Все это привело к заключению, что получающиеся нафотопластинках фигуры действительно представляют собой дифракционные картины.На основе полученных результатов Брэгги (отец и сын) предложили модификациютеории Браве, предположив, что в узлах кристаллической решетки располагаютсяатомы кристалла, па которых и происходит дифракция. Ясно, что принятие физикамитеории Брэггов привело к коренному изменению традиционного представления омолекуле. Мы не можем здесь входить в детали теории Лауэ и обсуждатьмногочисленные теоретические и экспериментальные следствия из нее. Достаточноотметить лишь два обстоятельства: исследование дифракционных фигур позволяетопределить длину волны применяемого рентгеновского излучения, а зная длинуволны, можно получить сведения о структуре кристалла. Длины волн рентгеновскихлучей оказались в среднем в тысячу раз меньше средней длины волны видимогосвета, т. е. намного короче длин волн ультрафиолетового излучения.Рентгеновские лучи тоже дают целый спектр волн, аналогичный спектру видимогоизлучения.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.portal-slovo.ru