на него должны падать прямые солнечные лучи. А погода пасмурная. Беккерель заворачивает пластинки в черную бумагу, кладет на них лепешки уранила и ждет тех коротких минут, когда солнце, наконец, покажется из-за туч. Особенно неудачная погода стоит в конце февраля.
Первого марта (этот день вошел в историю!) Беккерель проявляет пластинки. Профессор смотрит на результат. И вдруг — что такое? На одной из пластинок особенно темное пятно, каких до сих пор не бывало. А посреди пятна — светлый крестик. Беккерель смотрит на номер пластинки, сверяет со своими записями, и оказывается, что пластинка вообще не выставлялась на солнце. 26 февраля он положил на завернутую пластинку медный крестик, на него — уранил-сульфат… Но солнце упорно не хотело показываться. Пришлось пластинку убрать в шкаф. И там она (в темноте!) пролежала до первого марта. А проявили ее по ошибке.
Поистине счастливая ошибка! Выходит, чтобы пластинка потемнела, вовсе не нужен солнечный свет. Неужели флюоресцирующее вещество испускает невидимые лучи и в темноте? Беккерель продолжает опыты. Он испытывает не только уранил-сульфат, но и другие вещества. Все правильно: пластинки темнеют и без освещения, но не от всех флюоресцирующих веществ. А от тех, которые не действуют в темноте, ничего не получается и на свету. Значит, флюоресценция тут ни при чем?
Да, ни при чем. Беккерель начал свои опыты, исходя из совершенно неправильных представлений, и это была вторая ошибка. Но две ошибки, взятые вместе, привели к успеху! Так в алгебре минус, умноженный на минус, дает плюс.
Причиной почернения пластинок оказалась не флюоресценция, а уран (название это слишком хорошо известно современному человеку!), входящий в состав уранил-сульфата. Желаемый эффект давали только те флюоресцирующие вещества, в которые входит уран. А самый большой эффект — чистый уран, который вообще не флюоресцирует.
Значит, уран обладает новым, до сих пор неизвестным свойством самопроизвольно испускать невидимые лучи, напоминающие X-лучи, открытые Рентгеном. Это свойство было названо радиоактивностью.
Поистине удивительно, что два столь похожих открытия были сделаны почти одновременно. Действительно, рентгеновы лучи и излучения радиоактивных веществ — близкие родственники.
Итак, быстрые электроны, ударяясь о стеклянные стенки катодной трубки, рождают рентгеновы лучи. Почему? С поведением быстрых заряженных частиц мы уже встречались в опытах Резерфорда. Там частицы либо проходили через лепесток золота, либо отражались от него. Но стекло — такая преграда, которую они пробить не в силах, а отразиться могут. И некоторые электроны действительно отражаются от стекла, так же как бильярдный шар, ударившийся о твердую преграду. Шар с той же скоростью летит назад, то же происходит и с электронами. Однако бильярдный шар может не только отразиться, но и затормозиться, встретившись с неупругой преградой. И электроны способны (физики так и говорят) «претерпеть неупругое столкновение» и затормозиться. Раз электрон остановился, значит потерял энергию. Но она не исчезает, а передается атому, с которым столкнулся электрон. Однако у атомов свои законы: каждому положен определенный запас энергии, и та, что он получил от быстрого электрона, оказывается лишней. Атом ее выбрасывает в виде лучей, которые по своей природе не отличаются от лучей света или радиоволн: такие же электромагнитные колебания, только энергия их значительно выше, что и обусловливает иные свойства. Ведь свет и радиоволны тоже обладают разными свойствами. Лучи, которые испускают атомы при бомбардировке их быстрыми электронами в катодной трубке, и есть рентгеновы лучи. Вот, пожалуй, и все самое основное о природе и происхождении рентгеновых лучей. К этому можно добавить только, что современные рентгеновские трубки устроены несколько иначе, чем катодные трубки, с которыми работал Рентген. Степень торможения электронов зависит от атомного веса вещества, о которое они тормозятся. И уже Рентген догадался сделать «мишень» (ее называют антикатод) из металла. В принципе так же устроены и современные рентгеновские трубки. Остальное — технические детали, подчас очень важные, но не принципиальные. Некоторые установки для получения рентгеновых лучей настолько своеобразны, что их даже не называют рентгеновскими аппаратами. Таков, например, бетатрон — устройство, дающее электроны с энергиями в десятки миллионов электрон-вольт. Для этого электроны разгоняют по спирали с помощью переменного магнитного поля. При торможении возникает рентгеновское излучение очень высокой энергии. Но хотя машина совсем не похожа на рентгеновский аппарат в районной поликлинике, принцип остается тем же: быстрые электроны тормозятся металлической преградой.
Выстрелом из винтовки нетрудно пробить доску. Но если ту же пулю бросить рукой или даже метнуть из рогатки, с доской ничего не произойдет. Это и понятно: рогатка не может дать пуле такой большой энергии, как заряд пороха. Хотя физическая природа рентгеновых и световых лучей одинакова, первые свободно проходят через преграды, совершенно непрозрачные для вторых. Ведь энергия рентгеновых лучей во много тысяч раз больше энергии лучей света. Именно это свойство рентгеновых лучей и используется для «просвечивания»: в медицине — для рентгенодиагностики, в технике — для дефектоскопии. Это очень важное свойство, но не оно нас сейчас интересует. Рентгеновы лучи проходят насквозь не на сто процентов. Если бы они все проходили насквозь, то и для просвечивания не годились бы. Никакого рентгеновского изображения не получалось: экран светился бы равномерно, а фотографическая пластинка равномерно темнела. Но воздух поглощает рентгеновы лучи очень слабо, мягкие ткани — сильнее, кости еще сильнее. Потому-то снимок дает и контуры тела, и очертания органов, и изображение скелета.
Действие на вещество может оказать не та часть лучей, что прошла насквозь, а та, которая в нем поглотилась. Значит, нужно посмотреть, что происходит при поглощении рентгеновых лучей веществом. Любая волна обладает свойствами частицы, а любая частица — свойствами волны. При поглощении рентгеновых лучей веществом удобнее рассматривать их как частицы (кванты). С этой точки зрения рентгеновы лучи — поток частиц энергии (не имеющих массы покоя), несущихся со скоростью света. Большинство этих частиц свободно пронизывает вещество, пролетая мимо атомов. Но немногие (а чем
Атомный бильярд
Итак, быстрые электроны, ударяясь о стеклянные стенки катодной трубки, рождают рентгеновы лучи. Почему? С поведением быстрых заряженных частиц мы уже встречались в опытах Резерфорда. Там частицы либо проходили через лепесток золота, либо отражались от него. Но стекло — такая преграда, которую они пробить не в силах, а отразиться могут. И некоторые электроны действительно отражаются от стекла, так же как бильярдный шар, ударившийся о твердую преграду. Шар с той же скоростью летит назад, то же происходит и с электронами. Однако бильярдный шар может не только отразиться, но и затормозиться, встретившись с неупругой преградой. И электроны способны (физики так и говорят) «претерпеть неупругое столкновение» и затормозиться. Раз электрон остановился, значит потерял энергию. Но она не исчезает, а передается атому, с которым столкнулся электрон. Однако у атомов свои законы: каждому положен определенный запас энергии, и та, что он получил от быстрого электрона, оказывается лишней. Атом ее выбрасывает в виде лучей, которые по своей природе не отличаются от лучей света или радиоволн: такие же электромагнитные колебания, только энергия их значительно выше, что и обусловливает иные свойства. Ведь свет и радиоволны тоже обладают разными свойствами. Лучи, которые испускают атомы при бомбардировке их быстрыми электронами в катодной трубке, и есть рентгеновы лучи. Вот, пожалуй, и все самое основное о природе и происхождении рентгеновых лучей. К этому можно добавить только, что современные рентгеновские трубки устроены несколько иначе, чем катодные трубки, с которыми работал Рентген. Степень торможения электронов зависит от атомного веса вещества, о которое они тормозятся. И уже Рентген догадался сделать «мишень» (ее называют антикатод) из металла. В принципе так же устроены и современные рентгеновские трубки. Остальное — технические детали, подчас очень важные, но не принципиальные. Некоторые установки для получения рентгеновых лучей настолько своеобразны, что их даже не называют рентгеновскими аппаратами. Таков, например, бетатрон — устройство, дающее электроны с энергиями в десятки миллионов электрон-вольт. Для этого электроны разгоняют по спирали с помощью переменного магнитного поля. При торможении возникает рентгеновское излучение очень высокой энергии. Но хотя машина совсем не похожа на рентгеновский аппарат в районной поликлинике, принцип остается тем же: быстрые электроны тормозятся металлической преградой.
Насквозь и даже глубже
Выстрелом из винтовки нетрудно пробить доску. Но если ту же пулю бросить рукой или даже метнуть из рогатки, с доской ничего не произойдет. Это и понятно: рогатка не может дать пуле такой большой энергии, как заряд пороха. Хотя физическая природа рентгеновых и световых лучей одинакова, первые свободно проходят через преграды, совершенно непрозрачные для вторых. Ведь энергия рентгеновых лучей во много тысяч раз больше энергии лучей света. Именно это свойство рентгеновых лучей и используется для «просвечивания»: в медицине — для рентгенодиагностики, в технике — для дефектоскопии. Это очень важное свойство, но не оно нас сейчас интересует. Рентгеновы лучи проходят насквозь не на сто процентов. Если бы они все проходили насквозь, то и для просвечивания не годились бы. Никакого рентгеновского изображения не получалось: экран светился бы равномерно, а фотографическая пластинка равномерно темнела. Но воздух поглощает рентгеновы лучи очень слабо, мягкие ткани — сильнее, кости еще сильнее. Потому-то снимок дает и контуры тела, и очертания органов, и изображение скелета.
Действие на вещество может оказать не та часть лучей, что прошла насквозь, а та, которая в нем поглотилась. Значит, нужно посмотреть, что происходит при поглощении рентгеновых лучей веществом. Любая волна обладает свойствами частицы, а любая частица — свойствами волны. При поглощении рентгеновых лучей веществом удобнее рассматривать их как частицы (кванты). С этой точки зрения рентгеновы лучи — поток частиц энергии (не имеющих массы покоя), несущихся со скоростью света. Большинство этих частиц свободно пронизывает вещество, пролетая мимо атомов. Но немногие (а чем