Савельєва Ф.Н., к.т.н.
Отримання рентгенівських променів
В історії фізики бувало часто, що протистоять наукові течії розподілялися відповідно до національністю фізиків. Аж ніяк не слід вважати це проявом націоналізму. Це пояснюється просто науковими зв'язками, особистими відносинами, застосуванням одного і того ж або аналогічного експериментального обладнання, а також єдиною мовою.
Тому не дивно, що полуголландец-напівнімець Вільгельм Конрад Рентген (1845-1923) приступив до експериментального дослідження катодних променів, дотримуючись поглядів Ленарда, який, як і всі німецькі фізики того часу, захищав хвильову природу катодних променів.
Будучи надзвичайно уважним експериментатором, вже прославився в середовищі фізиків того часу дослідженнями в різних областях (стисливість рідин, питома теплоємність газів, магнітне дію діелектриків, що рухаються в електростатичному полі, і т. д.), Рентген з перших же дослідів зауважив, що фотографічні пластини , вміщені поблизу розрядної трубки і захищені звичайним чином від дії світла, часто виявлялися засвіченими. Про дію катодних променів тут не могло йти мови, бо застосовувалася катодна трубка не мала алюмінієвого віконця подібно трубці Ленарда і катодні промені назовні вийти не могли. Очевидно, мова йшла про нове явище, що виникає, як це вдалося встановити через кілька днів, в розрядній трубці.
8 листопада 1895 в Вюрцбурзі Рентген спостерігав нове вражаюче явище. Якщо розрядну трубку обернути чорним картоном і помістити біля неї паперовий екран, змочений з одного боку платино-сінеродістим барієм, то при кожному розряді трубки на екрані спостерігається флуоресціююча світіння незалежно від того, яка сторона папери повернена до трубки - змочена або суха.
У цей досвід перш за все вражає те, що абсолютно непрозорий для видимого випромінювання та ультрафіолету чорний картон пропускає щось, здатне викликати флуоресценцію екрану. Цей ефект виходив не тільки з картоном: методично поставлена серія спеціальних дослідів показала, що для цього агента більш-менш прозорі всі тіла. Точніше кажучи, прозорість убуває зі збільшенням щільності тіла і його товщини.
«Якщо тримати руку між розрядною трубкою і екраном, то видно темні тіні кісток на тлі більш світлих обрисів руки». Це було перше в історії рентгеноскопічне дослідження.
Ці нові агенти, які були названі Рентгеном для стислості Х-променями, а ми їх називаємо зараз рентгенівськими променями, викликали флуоресценцію не тільки платино-сінеродістого барію, а й інших речовин, наприклад фосфоресцентних сполук кальцію, уранового скла, звичайного скла, вапняного шпату, кам'яної солі та ін Вони діють також на фотопластинки, але не діють на око людини.
Було неясно, переломлюються ці промені. Рентген не виявив заломлення в призмах з води і сірковуглецю. Деякі ознаки заломлення, як йому здалося, були помічені в дослідах з ебонітовими і алюмінієвими призмами. Досліди з дрібним порошком кам'яної солі, з срібним порошком, отриманим електролітичним методом, і з цинковим порошком не виявили жодної різниці в проходженні Х-променів через порошок і через суцільний зразок того ж речовини. Звідси можна було зробити висновок, що Х-промені не мають ні заломлення, ні відображення і що відсутність цих явищ підтверджується тим, що Х-промені неможливо сконцентрувати лінзами.
Х-промені виникають в точці, де катодні промені соударяются зі склом трубки. Дійсно, відхиляючи магнітом катодні промені усередину трубки, можна помітити одночасне зміщення точки освіти Х-променів, завжди збігається з точкою, де закінчуються катодні промені. Для утворення цього нового випромінювання не обов'язково, щоб катодні промені соударяются саме зі склом: це явище спостерігається і в розрядній трубці, виготовленої з алюмінію.
Природа цього нового випромінювання залишалася загадковою. Одне було ясно - випромінювання це не можна ототожнювати з катодними променями. Як і катодні промені, воно викликало флуоресценцію, справляло хімічний вплив, поширювалося прямолінійно і, отже, утворювало тіні. Але Х-промені не володіли характерним властивістю катодних променів - не відхилялися магнітним полем. Може бути, вони тої ж природи, що й ультрафіолетове випромінювання? Але тоді вони повинні були б помітно відбиватися, переломлюватися, поляризуватися. Враховуючи наявність певної подібності між Х-променями і світловими, можна було припускати, що на відміну від видимого випромінювання, яке є не що інше, як поперечні коливання ефіру, Х-промені є поздовжніми коливаннями. Чи не можуть виявитися Х-промені проявом цих поздовжніх коливань ефіру, існування яких фізикам до цих пір не вдавалося встановити?
Цим питанням, що повторює спробу пояснення природи катодних променів, закінчується перша робота Рентгена про Х-променях, докладені в грудні 1895 р. в Фізичному інституті Вюрцбурзького університету.
У другій роботі, доложенном 5 березня 1896, містилося два нових істотних факту. Перший був відкритий Аугусто Риги, який чи знав про досліди Рентгена: під дією Х-променів наелектризовані тіла розряджаються. Діють не самі Х-промені, а пронизується ними повітря, який набуває властивість розряджати наелектризовані тіла. Другим важливим фактом, згаданим ще в першій роботі Рентгена, було те, що Х-промені виходять при попаданні катодних променів не тільки на скло розрядних трубок, але і на будь-яке тіло, не виключаючи рідин і газів. У залежності від природи тіла, на яке потрапляють катодні промені, інтенсивність получающегося Х-випромінювання виявляється різною. Ці спостереження привели Рентгена вже в лютому 1896 р. до розробки трубки «фокус», в якій «катодом служить увігнуте дзеркало з алюмінію», а анодом - платинова пластинка, поміщена в центрі кривизни дзеркала і нахилена під кутом 45 ° до осі дзеркала. До появи термоелектронних приладів трубки «фокус» були єдиними установками для отримання рентгенівських променів при медичних і фізичних дослідженнях.
Нове відкриття, про можливість застосування якого в медицині та хірургії незабаром стали здогадуватися, схвилювало не лише науковців, а й широку публіку. Фізичні лабораторії осаджувалися лікарями та хворими. На незліченних публічних виступах з демонстрацією дослідів вид скелета живих людей справляв сильне враження і викликав навіть істерики серед присутніх. Рентген сприяв швидкому поширенню свого відкриття, з властивим йому безкорисливістю відмовившись від будь-якої можливості отримати від нього прибуток. Цей загальний інтерес в чималій мірі сприяв швидкому прогресу рентгенотехніки. У наше завдання не входить розгляд її розвитку. Досить, мабуть, однієї лише цифри, щоб дати уявлення про пройдений шлях: у 1896 р. рентгенографія руки вимагала експозиції 20 хвилин, зараз для цього досить незначною частки секунди.
Відкриття рентгенівських променів привело до надзвичайно важливих наслідків як в області наукових досліджень, так і в області практичних додатків-в медицині та у промисловості. Можна, мабуть, без перебільшення сказати, що з цього винаходу починається нова історія.
10 грудня 1901 у великому залі Музичної академії в Стокгольмі в присутності принца Швеції, який представляв короля, комітет з присудження Нобелівських премій на знак вдячності вчених і людства присудив Рентгену першу Нобелівську премію з фізики. Тепер може здатися символічним, що вперше настільки почесний міжнародну відзнаку був присуджений саме за відкриття рентгенівських променів.
Природа рентгенівських променів
У міру того як область застосування рентгенівських променів розширювалася, дослідження їх походження та їх природи ставало все більш нагальною необхідністю теоретичної фізики.
Перше пояснення походження рентгенівських променів, дане самим Рентгеном, було невдовзі прийнято одностайно: рентгенівські промені виникають при зіткненні катодних променів, тобто електронів, з тілами, зокрема з антикатод розрядної трубки.
Але яка їхня природа? Гіпотеза Рентгена про те, що це поздовжні хвилі, була неприйнятна з ряду причин. Не можна було також погодитися з висувалася перший час гіпотезою про корпускулярну характер рентгенівського випромінювання. Згідно електромагнітної теорії, швидка зміна швидкості зарядженого тіла викликає електромагнітне випромінювання, так що якщо прийняти, що причиною рентгенівських променів є різке гальмування електронів на антикатоді (а таке припущення здається необхідним), то ми приходимо до висновку, що рентгенівські промені є електромагнітне випромінювання. Але як же тоді пояснити, що для рентгенівських променів не вдається спостерігати звичайних оптичних явищ - відображення, заломлення, поляризації, дифракції? На це відповідали так: електромагнітне обурення, що виникає при зіткненні електронів з антикатод, не є періодичним; відсутність періодичності, тобто відсутність певної довжини хвилі, могло б пояснити аномальну поведінку рентгенівських променів в порівнянні зі звичайними електромагнітними хвилями. За відсутністю кращого аж до 1912 р. фізики задовольнялися таким поясненням.
Однак багато фізиків звертали увагу на те, що для пояснення негативних результатів спроб спостереження звичайних оптичних явищ в дослідах з рентгенівськими променями зовсім не обов'язково позбавляти електромагнітне обурення хвильового характеру, при якому вони схожі на світловими хвилями. Достатньо покласти довжину хвилі рентгенівських променів надзвичайно малою, щоб пояснити всі особливості їхньої поведінки.
Це легко зрозуміти з аналогії зі звуком, часто застосовувалася в навчальних цілях в першому десятилітті ХХ століття. Звукові хвилі, довжина хвилі яких змінюється від часток сантиметра до 20 м і більше, відбиваються від тіл достатньо великих розмірів, наприклад від стіни. А від тіл малих розмірів, скажімо від вертикального стовпа в полі, вони не відображаються. Це пояснюється тим, що в освіті відбитої хвилі має брати участь велика кількість елементарних хвиль, що виходять з усіх точок перешкоди, на які падає хвиля. Як з того факту, що звукова хвиля не відбивається від окремого стовпа, не можна робити висновку про відсутність періодичності у хвилі, так і з того, що немає або не виявлено відбиття рентгенівських променів, не можна робити висновку про те, що вони не мають хвильової структури. Достатньо було б покласти довжину хвилі рентгенівських променів менше відстані між молекулами речовини, щоб кожна молекула вела себе як окремий вертикальний стовп у разі звукової хвилі, так що не було б ніякого відображення, а була б лише дифракція рентгенівських променів.
Фізики, дотримувалися цієї точки зору, природно, намагалися виявити не відображення, а дифракцію рентгенівських променів на надзвичайно тонких щілинах, що диктувалося передбачуваної малістю довжини хвилі рентгенівських променів.
Але штучно зроблені щілини, як би тонкі вони не були, виявлялися занадто грубими, так і ясно було, що навряд чи можна знайти механічний спосіб нанесення штрихів, віддалених на відстань порядку молекулярних розмірів. Але ось молодому німецькому фізику Максу Лауе (1879 - 1959), учневі Макса Планка, прийшла в голову смілива ідея. Була відома стара теорія будови кристалів, висхідна ще до Аюй. Ця теорія, виходячи з характерного явища регулярного відшарування кристалів, брала, що кристали утворюються сукупністю тісно примикають надзвичайно малих часток у формі паралелепіпеда, названих Аюй «інтегруючими молекулами». Пізніше Л. Зеебер (1835 р.), Г. Делафосс (1843 р.) і в найбільш цільної формі А. Браве (1849-1851 роках рр..) Модернізували подання Аюй, замінивши «інтегруючі молекули» точковими молекулами, розташованими на постійних надзвичайно малих відстанях один від одного в цілком регулярному каркасі.
Якщо кристал справді має структурою, передбачуваної Браве, то він повинен вести себе як дифракційна решітка, або, вірніше, як сукупність дифракційних решіток з паралельними площинами, тобто просторова решітка, як її називають. Якщо б була встановлена дифракція рентгенівських променів на кристалах, то одночасно були б так би мовити, вбито двох зайців: доведено хвильову природу рентгенівських променів і дано експериментальне підтвердження гіпотезі Браве про будову кристалів.
Розробивши кількісну теорію цього явища, Лауе провів відповідний досвід у Мюнхені спільно з Паулем Кніппінг (1883-1935) і Вальтером Фрідріхом (нар. 1883 р.). Застосована для експерименту установка була досить простою: певна кількість паралельних свинцевих пластинок захищало невеликий кристал (наприклад, кам'яної солі) від прямого впливу рентгенівських променів. У всіх свинцевих пластинах були пророблені крихітні отвори, розташовані по одній прямій. Проходячи ці отвори, пучок рентгенівських променів потрапляв на кристал і далі проходив на фотопластинку, захищену чорної папером від стороннього опромінення. Після декількох годин експозиції платівка була проявлена. Було виявлено темна пляма на лінії центрів отворів у свинцевих пластинах, обумовлене прямою дією рентгенівських променів, і велика кількість інших плям різної інтенсивності, розташованих регулярним чином навколо центрального плями, відповідно до симетрією кристала.
Цей досвід незабаром був повторений багатьма фізиками в різних варіантах і всебічно проаналізовано. Все це призвело до висновку, що виходять на фотопластинках фігури дійсно представляють собою дифракційні картини. На основі отриманих результатів Брегг (батько і син) запропонували модифікацію теорії Браве, припустивши, що у вузлах кристалічної решітки розташовуються атоми кристала, па яких і відбувається дифракція. Ясно, що прийняття фізиками теорії Брегом призвело до корінної зміни традиційного уявлення про молекулу. Ми не можемо тут входити в деталі теорії Лауе і обговорювати численні теоретичні та експериментальні наслідки з неї. Досить відзначити лише дві обставини: дослідження дифракційних фігур дозволяє визначити довжину хвилі застосовуваного рентгенівського випромінювання, а знаючи довжину хвилі, можна отримати відомості про структуру кристалу. Довжини хвиль рентгенівських променів виявилися в середньому в тисячу разів менше середньої довжини хвилі видимого світла, тобто набагато коротше довжин хвиль ультрафіолетового випромінювання. Рентгенівські промені теж дають цілий спектр хвиль, аналогічний спектру видимого випромінювання.