Лучи Рентгена

Проф. К. П. ЯКОВЛЕВ

Одним из крупнейших достижений физики последнего периода можно cчитать открытие и изучение лучей Рентгена, которые иногда называются также икс-лучами (х-лучи). Это открытие принадлежит к числу тех фундаментальных научных завоеваний, в результате которых не только появляются в науке новые области, новые отделы знания и новые гипотезы, но вместе с тем создаются совершенно новые методы исследования, новые возможности для широких научных и научно-практических достижений. Достаточно сказать, что лучи Рентгена сделали для нас видимым, а значит и доступным изучению то, что непосредственно мы не видим и видеть не можем; сделали доступным изучению внутреннее строение, внутренние свойства твердых тел, причем последние не приходится для этого разрезать или раскалывать, они остаются целыми, не поврежденными, и совершенно не испытывают никаких изменений.

Когда стали внимательно разбираться в том, что происходит со световым лучом при его прохождении через прозрачные тела, то оказалось, что свойства светового луча при этом несколько изменяются. Если на первый взгляд кажется, что солнечный луч проходит в стекле без изменений, то более внимательное изучение показывает, что он при этом все-таки испытывает некоторые изменения и скорость его распространения в стекле иная, чем в воздухе.

Рентгеновская установка с трансформатором

Изучая изменения скорости световых лучей в прозрачных телах мы пришли к выводу, что обычный свет, так называемый белый световой луч, представляет собой очень сложное явление и состоит из целого ряда световых лучей, различно окрашенных и наложенных друг на друга. Оказалось, что с помощью прозрачных тел можно этот белый луч разложить на его составные части, элементарные лучи. Что это действительно так, нетрудно доказать на опыте; для этого достаточно пропустить через трехгранную стеклянную призму узкий пучок света и направить его на экран. Вместо прежней узкой полоски белого света на экране возникнет окрашенная в различные цвета широкая полоса с красным и фиолетовым концами; это будет — световой спектр.

Каждому лучу спектра мы приписываем определенную длину волны, поэтому различные спектральные лучи отличаются друг от друга кроме своего цвета еще и своей длиной волны. В видимом спектре красные лучи имеют наибольшую длину волны, фиолетовые — наименьшую; что же касается лучей, невидимых человеческим глазом, то за красными лучами идут темные инфракрасные, а за фиолетовым концом тоже темные — ультрафиолетовые. Лучам инфракрасным мы должны приписать длину волны, еще большую, чем красным, а лучам ультрафиолетовым еще меньшую, чем фиолетовым.

Рентгенографическое испытание сложных металлических конструкций

Дальнейшие наблюдения показали, что существует класс тел, которые под действием световых лучей светятся сами, причем это свечение продолжается и после того, как прекратилось действие падающих лучей. Это явление называется фосфоресценцией (от слова фосфор — химический элемент, который светится в темноте, хотя природа этого свечения иная, чем в случае фосфоресценции). Последнюю можно наблюдать на большом числе различных твердых тел, этим свойством обладают например сернистые соединения (соли) многих металлов: сернистый цинк, сернистый кальций, сернистый барий и др. Для этого достаточно соответствующий препарат подвергнуть действию сильного света — солнечного, вольтовой дуги, или, как говорят, достаточно его инсолировать.

Если препарат внести после инсоляции в темное помещение, то он продолжает ярко светиться, причем характерным здесь является цвет фосфоресценции: он не белый, а имеет особый цветной оттенок, который зависит от химического состава фосфоресцирующего тела. Обычно фосфоресцирующие тела в виде мелкого порошка наклеиваются на картон или плотную бумагу, и мы получаем большую фосфоресцирующую поверхность, или фосфоресцирующий экран.

Вот эти явления фосфоресценции сыграли очень большую роль при открытии лучей Рентгена и изучении их свойств.

Известно, что газы являются плохими проводниками электричества, но только в их обычном состоянии; если же мы начинаем изменять их состояние, электрические свойства газов изменяются и можно создать условия, при которых газы хорошо проводят электричество. Оказалось, что воздух, как и другие газы, которые при обычном атмосферном давлении не проводят электричества, становятся проводниками, если мы начинаем уменьшать их давление. Если взять стеклянную трубку с краном и двумя электродами, соединить их с полюсами индуктория (источника высокого напряжения) и уменьшить давление газа в трубке, выкачивая его с помощью насоса, то при некотором разрежении газ начинает проводить ток. Это сопровождается определенными световыми явлениями, которые зависят от рода газа и степени его разрежения.

Вначале, когда давление газа в трубке еще достаточно велико, внутри трубки получается узкая светящаяся цветная полоса, которая соединяет оба полюса. Затем по мере того, как уменьшается давление в трубке, цветная полоса расширяется и изменяет свою окраску, становясь более бледной. При дальнейшем разрежении полоса становится еще шире и начинает распадаться на отдельные части, разделенные темными промежутками. Постепенно последние становятся более резкими и одновременно на стенках трубки появляется слабое зеленоватое свечение, совершенно отличное от основного света разрядной трубки.

Наконец при еще большем разрежении, когда остаются лишь следы газа, свечение внутри трубки становится очень слабым, но вместе с тем зеленоватое свечение на стенках чрезвычайно усиливается, давая яркий световой эффект, который называется флюоресценцией стеклянных стенок трубки.

По современным представлениям электрический ток в проводниках обусловливается движением мельчайших частиц, имеющих отрицательный электрический заряд, движением атомов электричества, которые принято называть электронами. Оказалось, что те же электроны движутся и внутри трубки с разреженным газом, если в ней проходит электрический ток. Они выделяются из металлической поверхности отрицательного полюса перпендикулярно к ней и распространяются внутри трубки прямолинейно, совершенно так же, как световые лучи. Поэтому их и называют катодными лучами, и этот термин происходит от слова катод, как называют отрицательный полюс электрических установок.

Попадая на стенки стеклянной трубки, катодные лучи и вызывают их флюоресценцию. Чем больше скорость катодных лучей, тем ярче флюоресценция, которую они вызывают. Кроме свойства вызывать флюоресценцию, катодные лучи действуют на фотографические пластинки и бумаги совершенно так же, как световые лучи, вызывая разложение хлористых и бромистых солей серебра, подобно видимым лучам.

Так как поток катодных лучей представляет собой не что иное, как электрический ток в газе, то мы заключаем, что магнитное поле должно действовать на поток катодных лучей в разрядной трубке, как оно действует на проводник, по которому течет электрический ток, и опыт оправдывает это заключение. Чтобы наблюдать действие магнитного поля на катодные лучи, пользуются трубкой Брауна — разрядной трубкой с расширением на конце, в котором помещен флюоресцирующий экран. На пути катодных лучей поставлена диафрагма, которая выделяет узкий пучок катодных лучей, вызывающий резкое пятнышко на фосфоресцирующем экране. Если приблизить к трубке стальной магнит, то мы заметим, что это пятнышко начинает перемещаться, заметно отклоняясь от своего первоначального положения. Итак, мы в праве заключить, что магнитное поле отклоняет катодные лучи, изменяя направление их движения.

Есть еще один вывод в отношении свойств катодных лучей, чрезвычайно важный для понимания лучей Рентгена. Для того чтобы получить катодные лучи, нам необходимо затратить некоторое количество энергии, —  энергию того электрического тока, которым приводится в действие индукционная катушка. По основному закону физики, закону сохранения энергии, мы в праве заключить, что катодные лучи также должны обладать некоторой энергией, т. е. способностью произвести какую-то работу. В чем же может проявиться эта энергия пучка катодных лучей? Опыт показывает, что прежде всего в тепловых действиях катодных лучей, в нагревании ими тел, на которые они падают и поглощаются.

Поэтому, если на пути катодных, лучей поставим тело, которое их поглощает, то оно начинает нагреваться, причем нагревание может быть настолько сильным, что тело раскаляется и начинает светиться. Для того чтобы наблюдать это явление, можно воспользоваться шарообразной разрядной трубкой, которая сконструирована так, чтобы на металлическую пластинку в центре трубки падал возможно более интенсивный пучок катодных лучей. При действии трубки эта пластинка раскаляется и начинает светиться; нагревание настолько велико, что эту пластинку необходимо делать из наиболее тугоплавких металлов — платины, иридия, вольфрама, — так как металлы более легкоплавкие были бы быстро расплавлены.

Схема действия трубки Рентгена

Изучением катодных лучей, наряду с другими учеными, занимался около 30 лет назад немецкий профессор. В. Рентген. Исследуя явления, которыми сопровождается удар катодных лучей о поверхность стеклянных стенок разрядной трубки, Рентген показал, что под действием катодных лучей они, кроме нагревания и флюоресценции, испытывают еще одно удивительное изменение. Они становятся источником совершенно нового излучения, физические свойства которого оказались крайне необычными — новое излучение, непосредственно нами не видимое, но также вызывающее флюоресценцию и фосфоресценцию, свободно проникало через тела непрозрачные в обычном смысле слова, даже через металлы. Ни один из известных в то время видов излучения такими свойствами не обладал, и открытие Рентгена вызвало необычайный интерес во всем ученом мире. Этому в то время совершенно загадочному излучению было впоследствии присвоено название лучей Рентгена. После открытия Рентгена его лучи и их свойства были предметом исследования в чрезвычайно большом числе работ; описание явления Рентгена и свойства его лучей можно найти в десятках и сотнях брошюр, но проще и яснее всего описал это явление и основные свойства этих лучей сам Рентген.

Вот что писал он в своем, ставшем историческим, мемуаре «Об одном новом виде излучения», который был напечатан в Известиях Вюрцбургского физико-медицинского общества в 1895 г.:

«Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно темной комнате можно видеть, что бумажный экран, покрытый платиново-синеродистым барием и помещенный вблизи трубки, ярко светится, флюоресцирует при каждом разряде, безразлично — обращена ли к трубке сторона экрана, покрытая солью бария, или обращена к ней противоположная сторона. Флюоресценция остается еще заметной на расстоянии 2 м от прибора.

Легко убедиться в том, что причина, вызывающая флюоресценцию соли бария, заключается в разрядном приборе, а не в каком-либо другом месте цепи. В этом явлении, прежде всего, бросается в глаза то, что через футляр из черного картона, не пропускающего никаких видимых или ультрафиолетовых лучей солнечного или электрического света, проходит агент, вызывающий яркую флюоресценцию... Оказывается, что все тела прозрачны для этого агента, но прозрачны в различной степени. Бумага очень прозрачна: за переплетенной книгой в 1 тыс. страниц экран еще заметно светится, типографская краска не представляет чувствительного препятствия. За двумя колодами карт флюоресценция видна; отдельная карта между прибором и экраном незаметна для глаз. Листок станиоля (тонкого олова) тоже едва приметен; только когда листки положены друг на друга в несколько слоев, на экране ясно видна их тень. Толстые куски дерева еще прозрачны: еловые доски толщиною от 2 до 3 см поглощают очень мало. Слой алюминия толщиной в 15 мм хотя и ослабляет очень заметно действие, но тем не менее не в состоянии был уничтожить флюоресценцию. Толстые доски из рогового каучука толщиною в несколько сантиметров еще пропускают лучи (для краткости я буду употреблять выражение лучи, а для отличия от других лучей я назову эти новые лучи икс-лучами). Если между экраном и прибором держать руку, то на экране видна темная тень костей на фоне слабой тени руки».

То, что Рентген называет здесь катушкой Румкорфа, есть не что иное, как знакомый нам индукторий или индукционная катушка, а именем трубок Гитторфа, Ленарда и Крукса назывались в то время различные типы трубок с разреженным газом и электродами, с действием которых мы также познакомились.

Трубка Рентгена на штативе

В дальнейшем Рентген доказал, что открытые им лучи распространяются в пространстве прямолинейно, подобно световым или катодным лучам. Оказалось также, что кроме действия на флюоресцирующий экран, эти лучи действуют подобно световым на фотографическую пластинку, благодаря чему можно фотографировать или фиксировать эти явления. «Каждое новое наблюдение, которое я делал на флюоресцирующем экране, — пишет Рентген, — я контролировал, где только было возможно, при помощи фотографического снимка». Таким путем Рентген нашел, что прозрачность различных тел новых лучей зависит прежде всего от плотности этих тел; чем больше плотность, тем меньше прозрачность этого тела для х-лучей. Однако здесь играет роль и состав тел; все металлы, если только они взяты в достаточно тонких слоях, прозрачны для х-лучей, но прозрачность меньше для тяжелых металлов с большим атомным весом; поэтому наиболее прозрачными оказались такие металлы, как алюминий, магналий, а наименее прозрачными оказались тяжелые металлы —  свинец, серебро, платина.

В настоящее время для получения лучей Рентгена нет необходимости пользоваться такими несовершенными установками, которые применял сам Рентген, так как техника получения лучей Рентгена быстро усовершенствовалась.

Ионная трубка Рентгена

Современные рентгеновские установки состоят из двух частей: источник высокого напряжения — индукционная катушка — обычно заменяется теперь более совершенным трансформатором высокого напряжения. Сами трубки Рентгена имеют следующее устройство. Большой стеклянный шар имеет три или четыре боковых отростка, два из которых расположены один против другого; в одном из последних укреплен отрицательный полюс трубки (катод). В другом расположен металлический стержень с расширением на внутреннем конце, которое срезано наклонно и снабжено металлическим зеркалом из тугоплавкого металла — платины, вольфрама — это антикатод трубки; он обыкновенно снабжается различными приспособлениями для непрерывного охлаждения. Положительный полюс (анод) трубки расположен в боковом отростке и соединен проводником с антикатодом. Пространство внутри трубки доводится до высоких степеней разрежения. При действии трубок пучок катодных лучей ударяет в наклонное зеркало антикатода, из поверхности которого и выделяются лучи Рентгена.

Существует также другой очень распространенный тип трубок Рентгена, их обыкновенно называют трубками Кулиджа, по имени сконструировавшего их американского профессора. В этих трубках катод состоит из плоской вольфрамовой спирали, которую можно накаливать электрическим током; при этом из ее поверхности непрерывно выделяются электроны, которые, имея отрицательный заряд, отталкиваются катодом и притягиваются к аноду трубки, вследствие этого они летят в направлении последнего и по инерции ударяют об его поверхность.

Флюоресценция, вызываемая современными трубками Рентгена, в особенности трубками Кулиджа, на флюоресцирующих экранах, настолько ярка, что свечение ясно видно на большом расстоянии.

Если между трубкой и экраном поместить твердое тело, то его тень ясно видна на экране. Прозрачность различных твердых тел для лучей тоже различна и сказывается на яркости тени. Наименее прозрачны металлы; если поместить перед экраном готовальню с инструментами или кошелек с монетами, то мы увидим на экране резкие тени металлических частей на фоне слабой тени, отбрасываемой остальными частями этих предметов. Рука и другие части тела дают более резкую тень костей на слабом фоне контуров тела.

Есть еще одно интересное свойство лучей Рентгена. Оказывается, что под их действием все газы начинают проводить электричество. На примере электроскопа мы можем видеть, что его заряд сохраняется долгое время. Но если вблизи заряженного электроскопа привести в действие трубку Рентгена, то его листочки начинают опадать, так как его заряд быстро исчезнет, уходя через воздух. Для объяснения мы должны допустить, что лучи Рентгена, распространись через газ, вносят некоторые изменения в электрические свойства его молекул и атомов. В обычном состоянии атомы и молекулы газов электрически нейтральны, так как положительные и отрицательные заряды в атоме взаимно уравновешиваются. Лучи Рентгена, проходя через газ, разбивают его атомы и молекулы на частички с отрицательными зарядами — электроны — и положительные части атома, так называемые ионы, в результате чего газ приобретает способность проводить электрический ток.

Почти 20 лет после их открытия, лучи Рентгена были для ученого мира полной загадкой. Их свойства были изучены, но физическая природа оставалась непонятной. Только наше время сумело отгадать эту загадку.

Вначале казалось вполне естественным видеть в лучах Рентгена нечто аналогичное катодным лучам. Действительно, лучи Рентгена возникают при ударе катодных лучей о поверхность твердого тела, лучи Рентгена имеют ряд свойств, общих с катодными —  возбуждают флюоресценцию, действуют на фотографическую пластинку. Однако от этой мысли пришлось отказаться: катодные лучи, как мы видели, испытывают действие магнитного поля, а лучи Рентгена на магнитное поле совершенно не реагируют.

Среди физических явлений еще только одно имело некоторые общие свойства с лучами Рентгена — световые лучи. Правда, свет мы видим, обычные световые лучи производят определенное действие на наш орган зрения, тогда как лучи Рентгена непосредственно нами не видимы; но это различие не является существенным, поскольку известны и невидимые световые лучи, например ультрафиолетовые лучи, которые тоже обладают сильными флюоресцирующими свойствами и подобно х-лучам, распространяясь в газе, делают его проводником, вызывая образование ионов.

Однако все попытки рассматривать лучи Рентгена как аналогичные невидимым световым лучам наталкивались вначале на очень большие затруднения, так как в отношении световых лучей был известен ряд процессов, которых не удавалось подметить у лучей Рентгена. Так были известны и хорошо изучены явления дифракции и интерференции света. Дифракция света состоит в том, что при прохождении через очень маленькие отверстия лучи света отклоняются от прямой линии, распространяясь за отверстием, расходящимся коническим пучком, вершина которого совпадает с отверстием. В этом пучке замечается поперечное чередование зон света и тени, что можно обнаружить, произведя фотоснимок на пластинке, перпендикулярной оси пучка. Попеременное чередование светлых и темных зон объясняется интерференцией световых лучей, или взаимным наложением световых колебаний, что может вызвать и усиление и ослабление их.

Естественно было думать, что если лучи Рентгена представляют процесс, аналогичный тому, что мы имеем в луче света, то для них также должны наблюдаться явления дифракции и интерференции.

Однако почти 20 лет все попытки обнаружить интерференцию лучей Рентгена приводили к отрицательным результатам, и только в 1912 г. немецкому ученому Ляуэ впервые удалось обнаружить это явление. Допустив, что лучи Рентгена представляют собой процесс, вполне аналогичный световым лучам, но отличаются от них меньшей длиной волны, меньшей даже, чем у лучей ультрафиолетовых, Ляуэ вначале теоретически доказал, что явление интерференции лучей Рентгена должно наблюдаться при прохождении ими кристаллов. По современным взглядам атомы в кристаллах располагаются на вполне определенных для каждого кристалла расстояниях и заполняют кристаллы правильными рядами. Ляуэ пришел к выводу, что лучи Рентгена, рассеиваясь атомами кристалла, должны по выходе из кристалла интерферировать; внешняя картина этого явления, как показали вычисления Ляуэ, должна быть значительно сложнее той, которая наблюдается для световых лучей.

Вместо сплошных колец, которые наблюдаются при дифракции световых лучей, мы должны получить на фотографической пластинке отдельные пятна, симметрично расположенные вокруг центрального пятна, которое производится основным пучком лучей Рентгена. По предложению Ляуэ такой опыт, очень точно поставленный, был произведен и закончился блестящим результатом: полученные фотограммы действительно обнаруживают интерференцию лучей, количественная сторона которой вполне соответствовала вычислениям Ляуэ.

Дифракция световых лучей — отклонение их от прямой линии при прохождении через очень маленькие отверстия

Пользуясь современными представлениями о строении атома, нетрудно объяснить и механизм возникновения лучей Рентгена.

В настоящее время мы допускаем, что те электроны, которые окружают атомное ядро, вращаясь вокруг него по различным орбитам, могут переходить с одной орбиты на другую; если электрон, переходя на новую орбиту, приближается или падает к ядру атома, то энергия атома уменьшается, поэтому такой процесс должен сопровождаться выделением энергии в виде излучения. Длина волны этого излучения зависит от условий перехода электрона с одной орбиты на другую, в частности от диаметра этих орбит, или, как говорят, от их номера.

Чем ближе к ядру атома происходят эти переходы электронов, тем короче длина волны испускаемых лучей, или тем лучи жестче. Видимые световые лучи вызываются теми переходами, которые происходят между внешними периферийными электронами атома; количество энергии, которое при этом выделяется, относительно невелико, поэтому видимые световые лучи имеют относительно большую длину волны. Если те же переходы электронов происходят ближе к атомному ядру, т. е. между внутренними электронными слоями атома, то количество энергии, выделяющееся при этом, должно быть значительно больше, и соответственно этому должно возникать жесткое излучение с несравненно более короткой длиной волны, т. е. излучение, имеющее основные свойства лучей Рентгена. Если пучок быстрых катодных лучей падает на поверхность твердого тела, как это имеет место в случае возникновения лучей Рентгена, то быстрые катодные частицы проникают глубоко внутрь атомов тела, далеко за пределы их внешних электронов и вызывают переходы электронов на внутренних электронных слоях атома. Этот процесс должен сопровождаться, как видно из предыдущего, выделением жесткого излучения — лучей Рентгена.

Чем глубже проникают катодные лучи внутрь атома, тем жестче должны быть выделяющиеся лучи Рентгена. Отсюда следует, что чем большую скорость имеют катодные лучи, тем жестче должны быть вызываемые ими лучи Рентгена. Исследования показывают, что это действительно наблюдается, т. е., что можно получать лучи Рентгена с различной длиной волны или различной жесткости в зависимости от того, какой скоростью мы наделим катодные лучи. Из этой теории становится понятным, что лучи световые и лучи Рентгена должны быть процессами вполне одинаковыми, так как и те и другие объясняются переходами электронов с одной орбиты на другую, и различие между ними только количественное — в длинах волн.

Два основных отдела современной науки —  изучение живых организмов, с одной стороны, и неорганической природы, с другой, —  представляют две основные области применения лучей Рентгена: биологию и технику.

Техника имеет дело с самыми различными материалами и продуктами. Очень часто возникает вопрос о внутренних качествах и строении этих продуктов, иногда это имеет решающее значение, например вся сложная техника аэропланов, для ответственных частей которых можно применять лишь изделия, вполне свободные от всяких дефектов не только наружных, но и внутренних. Между тем один наружный осмотр изделия, даже весьма тщательный, недостаточен, так как внутренние дефекты могут остаться не обнаруженными. Качество отливок, которые применяются для различных ответственных деталей, прочность сварки или спайки, водо- и газонепроницаемость швов в котлах — все это в ряде производств играет решающую роль.

Рентгенограмма металлической отливки. Ясно видны внутренние трещины, незаметные при наружном осмотре

Здесь приходят на помощь лучи Рентгена, так как на рентгенограммах всегда ясно проступают внутренние дефекты — трещины, расслоения, присутствие посторонних тел и т. д. Благодаря современным успехам в изготовлении трубок Рентгена, удалось крайне упростить, механизировать эти операции, и вместе с тем выработать тип трубок, дающих мощные пучки крайне жестких лучей. В таких трубках прежний хрупкий стеклянный шар заменен металлическим цилиндром, в котором изоляторы имеются лишь в местах ввода электродов; благодаря этому трубки приобретают полную прочность, что крайне важно в условиях заводской работы. А жесткость лучей Рентгена так велика, что стальные изделия в 12 см толщиной пронизываются ими насквозь.

Систематическое изучение таких рентгенограмм показало, что, пользуясь этим методом, можно чрезвычайно точно определять кристаллическое строение тел и тем незначительные, на первый взгляд, изменения в них, которые вызывает механическая или термическая их обработка. От этих изменений зависят, однако, как оказалось, и основные механические свойства металлов и сплавов —  твердость, сопротивление на излом и пр.

Рентгенографическое испытание структуры стальных образцов (мелкозернистая структура)

И вот, подводя итоги тому, что было сказано о лучах Рентгена, мы невольно должны согласиться с теми, кто видит в этом открытии одно из наиболее крупных достижений современности, в котором гармонически соединяются и глубочайшее научное познание и неограниченные возможности практических применений.