РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ

В конце прошлого Бека профессор Вюрцбург-ского университета в Германии В. Рентген проводил опыты с электрическим разрядом в газах. Он использовал стеклянную трубку с впаянными в нее двумя электродами, откачанную до давления ~ 10^-5 от атмосферного. Когда на электроды подавалось высокое напряжение, стекло вокруг анода (положительного электрода) начинало светиться желто-зеленым светом. Это свечение физики объясняли действием так называемых катодных лучей, поток которых испускался катодом, падал на анод и частично на стенки трубки. Позднее было показано, что эти лучи состоят из отрицательно заряженных частиц — электронов.

Ноябрьским вечером 1895 г. Рентген, работая в лаборатории, обнаружил необычное явление. Для опытов он завернул разрядную трубку в черную бумагу, не пропускающую обычного света. В комнате было темно, и это позволило ученому заметить, что лежавшие недалеко от трубки кристаллы соли бария испускают слабый свет. Он снял с трубки напряжение, и свечение пропало. Тогда Рентген установил недалеко от нее экран, покрытый солью бария. Экран засветился. Ученый стал помещать между трубкой и экраном различные предметы. Картон, бумага, эбонитовая пластинка не влияли на яркость свечения. Металлические предметы отбрасывали на экран тень. Очевидно, трубка являлась источником неизвестных проникающих лучей. «Х-лучей», как назвал их Рентген, или рентгеновских лучей, как называем их мы.

Исследователь поместил на пути Х-лучей руку, и на экране появилось теневое изображение руки скелета — мягкие ткани были прозрачны для излучения, а кости почти не пропускали его.

Первая статья ученого — «О новом роде лучей», в которой он описывал свойства открытого им излучения, обошла буквально весь мир и затем была напечатана отдельной брошюрой на всех европейских языках.

Однако объяснить природу загадочных лучей Рентген не смог. Он не знал о существовании электронов, а именно их торможение в стекле трубки было причиной появления рентгеновских лучей и зеленоватого видимого света. Когда заряженная частица влетает в вещество, она тормозится, теряет свою скорость и излучает электромагнитные волны. Диапазон длин волн рентгеновского излучения лежит в пределах от ~ 5•10^-8 до ~ 5•10^-12 м. На шкале электромагнитных волн они занимают место между ультрафиолетовым излучением и гамма-излучением. Пучок тормозящих электронов излучает волны с самыми разными длинами волн (λ). Эти волны образуют непрерывный рентгеновский спектр, но, кроме него, существуют и отдельные линии, в которые группируются волны с определенным значением λ. Природа их связана с тем, что падающие частицы ионизируют атом (см. Ионизация) и на образовавшиеся вакансии переходят электроны с более высоких энергетических уровней. При этом излучается квант с определенной энергией hv, или hc/λ. Когда свободный уровень образуется на внешних оболочках атома, излучается квант видимого света или ультрафиолетовых лучей; когда же это происходит на внутренних оболочках, то излучается квант с большей энергией и соответственно с меньшей длиной волны, т. е. рентгеновский. Излучение это характеризует материал анода, который подвергается бомбардировке пучком электронов. Поэтому оно называется характеристическим излучением.

Применение рентгеновских лучей весьма разнообразно. Это медицина, в которой рентгеновские лучи применяются и для диагностики, и для лечения заболеваний. Затем физика, химия, биология, техника и даже криминалистика и искусствоведение.

Рентгеновское излучение обладает столь малой длиной волны, что в качестве дифракционной решетки (см. Дифракция) для него можно использовать кристалл: ведь расстояние между атомами кристалла составляет 10^-9 ÷ 10^-10 м. Проходя сквозь кристалл или отражаясь от него, рентгеновские лучи дают на фотопластинке характерную картину дифракции. Исследуя ее, физики получают важные сведения о структуре вещества — проводят рентгено-структурный анализ.

1962 год можно считать годом рождения рентгеновской астрономии. Детекторы ядерных излучений поднимались сначала на ракетах, а затем на искусственных спутниках. Исследовалось рентгеновское излучение Солнца и звезд, не проникающее сквозь земную атмосферу. Было открыто множество космических объектов — рентгеновских излучателей.

Но, пожалуй, главным открытием в этой области стало обнаружение рентгеновских пульсаров. Ученые представляют себе такой пульсар как систему из двух звезд, одна из которых является нейтронной. Радиус нейтронной звезды всего 10 ÷ 30 км, а масса звездная, так что плотность вещества в ней достигает 10¹¹ ÷ 10¹⁵ г/см³. При такой плотности электроны «вдавлены» в ядра и вместе с протонами образуют нейтроны. Вторая звезда обычно — газовая. В процессе взаимного движения нейтронная звезда «перетягивает» на себя вещество своей спутницы, и ее поверхность бомбардируется частицами, подобно аноду в рентгеновской трубке. Это и приводит к возникновению излучения. А пульсирует оно во времени из-за того, что система вращается (причем с огромной скоростью) и вместе с ней вращается гигантский луч «рентгеновского прожектора».

Очевидно, что открытие рентгеновских лучей сыграло важную роль в истории физики. За ним последовали новые исследования и научные достижения, которые привели к формированию современных взглядов на строение атомов и квантовую теорию материи.