27 березня, 2015
Его мысли хватило мужества...
В честь великого физиолога В.-К. Рентгена
Вильгельм-Конрад Рентген – несомненно, одна из самых выдающихся фигур научного мира. Он обладал проницательным умом и изобретательностью, был даровитым и «тонким классическим физиком-экспериментатором».
Однако научный прорыв Рентгена в области электрической энергии стал возможным благодаря около 300-летним исследованиям этих явлений в их элементарном виде целой плеядой блестящих умов. Эти труды и послужили исходной точкой научных исследований Рентгена, приведших к открытию лучей, прославивших его имя [1].
Собственно говоря, история открытия лучей Рентгена – это история изучения прохождения электрических разрядов высокого напряжения в разреженных газах [2]. С точки зрения рентгенологии, это самый интересный раздел физики, дающий представление о том, что воздух и другие газы оказывают значительное сопротивление прохождению электрического разряда. В этом случае искра может преодолеть сопротивление, если она происходит от достаточно сильного источника электрической энергии. Однако если электрический разряд пропустить через разреженный воздух, то искра при той же силе напряжения пройдет легче и на более значительное расстояние. Правда, для более легкого прохождения искры разрежение воздуха должно доходить только до известной степени, поскольку высокая степень разрежения (рентгеновская трубка), наоборот, препятствует прохождению искры. Таким образом, разреженный до определенной степени воздух оказывает гораздо меньшее сопротивление прохождению электрической искры.
Необходимо вспомнить физические открытия, ставшие предикторами открытия Рентгена. Еще в 1750 г. французский физик-любитель Nollet заметил, что если в стеклянном графине с перфорированным дном уменьшить давление воздуха, плотно заткнуть его пробкой с укрепленной проволокой и пропускать через это устройство электрические разряды от статической машины, то в темноте графин светится. В дальнейшем вместо графина Nollet использовал стеклянные трубки с впаянными на концах кусками проволоки (электродами). Nollet отмечал, что если из такой трубки через боковое отверстие выкачать воздух и соединить электроды посредством проводников с разрядниками электрической машины, то пропускаемая электрическая искра изменяет свой вид: по мере выкачивания из трубки воздуха и уменьшения его давления до 1/100 атмосферного первоначальная нитевидная форма искры исчезает, и вместо нее в темноте появляется фиолетовое сияние, наполняющее всю трубку. Этот открытый французским физиком-любителем факт, несмотря на его почти 100-летнее забвение, стал первым шагом на долгом пути, который привел к открытию Рентгена.
В 1831 г. М. Faraday изобрел электрическую катушку и изучил явления электро-магнитной индукции, что послужило основанием для создания индукционных аппаратов, лучшие из которых были построены Румкорфом из Парижа и долгое время носили его имя. Любопытно, что и Рентген сделал свое открытие при помощи спирали-оригинала, произведенной в мастерской Румкорфа.
Таким образом, индукционные аппараты оказались связующим звеном между открытиями Nolletа в 1750 г. и Рентгена – в 1895 г. И этот научный факт вполне естественен, так как без индукционных аппаратов не удалось бы открыть Х-лучей, потому что для их появления необходима электрическая искра очень высокого напряжения (≈10 000 вольт), которую можно получить лишь при помощи мощных индукторов.
Продолжая изучение электрических искр, которые представлялись светящимися и блестящими полосами, Walter посредством моментальной фотографии снял форму электрической искры 8-сантиметровой длины, причем установил, что она состоит из целого пучка тончайших светящихся волокон, исходящих струей из положительного полюса электрода и несущихся через воздух к отрицательному полюсу. Напротив, выходящий из отрицательного полюса пучок, идущий навстречу положительному, едва заметен. Далее Walter установил, что электрический пучок не истекает равномерно, а вырывается отдельными разрядами в виде постоянно усиливающихся толчков практически одинаковой формы. На протяжении 8-сантиметровой искры можно было определить 5 таких толчков, продолжительность которых составляла около одной миллионной части секунды.
В 1858 г. физик Юлиус Плюккер (Plucker) совместно со стеклодувом Гейслером (Geissler) изобрели стеклянные трубки (различных форм) с впаянными в них электродами из платины, что позволило пропускать ток высокого напряжения, от которого раньше электроды из более мягких металлов плавились. В процессе работы с гейслеровскими трубками выяснилось, что качество исходящих из положительного полюса лучей зависит от природы газов, которыми заполняются трубки вместо выкачанного воздуха, величины самих трубок, напряжения проходящего через трубку электрического тока и, наконец, химического состава стекла. При этом исходящее из положительного полюса световое сияние точно повторяет все формы и изгибы трубок, какими бы причудливыми они не были.
В дальнейшем в гейслеровских трубках было создано новое свечение, вызывающее на целом ряде освещаемых им тел флуоресценцию – способность самих по себе не светящихся тел под влиянием нового свечения светиться, но цветом, не свойственным их основной природе. Так, соли платино-цианистого калия и бария, обладающего особенно сильной флуоресценцией, помогли Рентгену при открытии Х-лучей. Если эти соли смешать с раствором гуммиарабика, а еще лучше колодия и нанести эту смесь на картон, то получается большая интенсивно светящаяся поверхность с сиянием желто-зеленоватого цвета от соли бария и синеватого – от соли калия. Эти соли обладают способностью светиться при падении на них лучей, лежащих за пределами нашего зрения, то есть правее фиолетового конца спектра, и невидимых лучей, возникающих в разреженных газах стеклянных трубок. Флуоресценция этих солей служит для нашего несовершенного глаза посредником и позволяет видеть обычно невидимое, то есть те световые волны, которые лежат вне спектральной сферы нашего глаза. Такие экраны в то время использовались для исследования ультрафиолетовых лучей и были неотъемлемой составляющей всех физических лабораторий. Такой экран был и в лаборатории Рентгена.
Вакуум в трубках Гейслера достигал не более 1/300 атмосферного давления, однако Иоганну Гитторфу (Hittorf) в 1869 г. удалось выкачать воздух до 1/100 000 части атмосферного давления, что послужило стимулом для других экспериментаторов добиваться еще большего вакуума в трубках. Это удалось сделать в 1880 г. английскому физику Уильяму Круксу (W. Crookes), который усовершенствовал вакуумный насос и довел вакуум в трубках выше существовавшего в то время максимума. При этом он заметил, что сияние, описанное раннее Abria, по мере дальнейшего выкачивания воздуха постепенно исчезало, а темная зона у катода увеличивалась. Доведя вакуум в трубке до 1/1 000 000 части атмосферного давления, Крукс отметил, что анод перестал светиться, а темная зона у катода вдруг исчезла, и из этого места полилась струя красивого однообразного зеленого сияния, наполнившего всю трубку. Это были катодные лучи! Более того, двигая вблизи трубки магнит, Крукс установил, что тень перемещается, и на этом основании сделал вывод, что катодные лучи – это поток отрицательно заряженных частиц. Кроме того, Крукс поместил в модифицированную вакуумную трубку «экран» – мальтийский крест из слюды, который перекрывал путь катодным лучам и отбрасывал тень на флуоресцирующий экран.
Описанное явление оказалось совершенной неожиданностью, поскольку до того времени ученые наблюдали, как электрические разряды в вакуумных трубках вызывают свечение, всегда начинающееся у положительного полюса большого потенциала, в то время как отрицательный всегда был в темноте. В опытах Крукса свечение, наоборот, начиналось у катода и наполняло собой всю трубку. Это новое сияние вначале назвали катодным, а впоследствии, когда Эуген Гольдштейн (Goldstein) установил его прямолинейное движение, – катодными лучами, и честь их открытия признали за Уильямом Круксом [3].
Однако вскоре выяснилось, что исходящие из катода лучи не видимы, а зеленое сияние, наполняющее всю трубку, зависит от флуоресценции стекла, то есть от участка трубки, находящегося по прямой линии от катода, на который падают катодные лучи.
Таким образом, от катодных до рентгеновских лучей остался всего один шаг. Однако, на этот шаг – исследование этих новых лучей – потребовалось 15 лет. Что же представляют собой катодные лучи – эти предвестники лучей Рентгена? Катодные лучи идут параллельно и прямолинейно; обладают движущей силой, то есть приводят легкие, находящиеся в подвижном равновесии тела в движение; не проходят через стенки стеклянной трубки наружу в воздух, но легко проникают через тонкие металлические пластинки, впаянные на анодном конце трубки. Немецкий физик Филипп Ленард впаял в анодный конец перфорированной трубки очень тонкую пластинку из алюминия и, выкачав воздух, констатировал, что катодные лучи проходят наружу в воздух через проделанное окошко, а затем прямолинейно расходятся во всех направлениях и ионизируют воздух в непосредственной близости от окошка, но не далее 5 см от трубки. Таким образом, переходя в воздух и ионизируя его, катодные лучи делают его легко проходимым для электричества и разряжают как положительно, так и отрицательно наэлектризованные тела, а падая на незаряженные электричеством предметы, – отрицательно их наэлектризовывают. Такие лучи были названы ленардовскими.
Именно в этот период английский физик Дж. Дж. Томпсон (1897) установил природу частиц в катодных лучах и назвал их «электронами». Томпсон также проводил опыты с катодными лучами и наблюдал, как стекло, помещенное более чем в метре от трубки, фосфоресцирует. Однако он не придал этому значения. Итак, лучи Ленарда существенно отличаются от лучей внутритрубочных и приближаются к Х-лучам. От катодных лучей Крукса, электронов Томпсона и лучей Ленарда до лучей Рентгена оставалось «совсем ничего», но поистине прав Альберт Сент-Дьерди, говоривший, что «тот, кто совершает открытия, видит то же, что и все, но думает о том, что никому не приходит в голову».
Характеризуя катодные лучи, следует отметить, что они не действуют на кожу и органы зрения, но чернят фотографическую пленку. Проникая сквозь тонкие металлические пластинки, они бессильны перед прозрачной пластинкой кварца. Катодные лучи отклоняются магнитом, но только внутри трубки. Как констатировал Ленард, вышедшие через алюминиевое окошечко лучи отклонению магнитом не поддаются. Катодные лучи движутся со скоростью 200 км/сек и по своей природе не однородны, то есть представляют собой различные лучи. Кроме того, катодные лучи могут действовать на галоидные соли щелочных металлов, разлагая их на субхлориды и образуя их цветные модификации.
Таким образом, последние годы XIX ст. прошли под знаком подробного и напряженного изучения катодных лучей, которые в то время изучал и профессор физики Вюрцбургского университета В.-К. Рентген.
В Вюрцбургском университете (Бавария) Рентген работал ассистентом в лаборатории, возглавляемой выдающимся немецким физиком Августом Кундтом. До этого в 1862 г. Рентген поступил в Утрехтскую техническую школу, но был исключен за отказ выдать своего товарища, нарисовавшего непочтительную карикатуру на нелюбимого преподавателя. Отсутствие свидетельства об окончании среднего учебного заведения не позволяло ему дальше продолжать образование, поэтому он решил прослушать несколько курсов в Утрехтском университете. В 1865-1868 гг. Рентген учился в Федеральном технологическом институте в Цюрихе, поскольку намеревался стать инженером-механиком. Профессор физики этого института Кундт обратил внимание на способности Рентгена и настоятельно советовал ему заняться физикой. Рентген последовал совету учителя и через год защитил докторскую диссертацию в Цюрихском университете, после чего был назначен Кундтом первым ассистентом в лаборатории. В 1872 г. Кундт и Рентген перешли работать в Страсбургский университет, а в 1874 г. ученый начал читать лекции по физике. Через год он стал действительным профессором физики Сельскохозяйственной академии в Гогенхейме (Германия), а в 1876 г. вернулся в Страсбург для чтения курса лекций по теоретической физике.
В отличие от своих коллег Рентген исключительно скрупулезно относился к постановке опытов. Он был лучшим экспериментатором своего времени, поскольку умел выделять в чистом виде изучаемое явление, освобождая его от побочных влияний. Рентгену удавалось поставить опыт в таких условиях, когда все осложняющие эффекты играли роль ничтожных поправок. В каждой работе Рентгена всегда реализовывалась новая оригинальная идея или приводились результаты, полученные с помощью новой методики эксперимента. Точность его измерений долгое время оставалась непревзойденной [1].
Анализ всей научной деятельности Рентгена, в частности трех его кратких сообщений об Х-лучах, показывает, что его открытие и блестящая разработка – не только дело случая, но и закономерное проявление выдающегося таланта ученого-экспериментатора. Рентген первым заметил появление таинственных Х-лучей при столкновении катодных лучей со стеклом, создал рентгеновскую трубку с платиновым антикатодом, с помощью которой получил снимки, поражающие тонкостью деталей.
Об этом великом открытии Рентген рассказал в интервью H.I.W. Dam – корреспонденту журнала M. Clures Magazine. Приведем эту беседу дословно.
В.-К. Рентген: – Я давно уже интересовался катодными лучами, и мне хотелось самому проделать опыты с безвоздушными трубками в том направлении, как это делали Lenard и Hertz. И вот едва я начал эти работы, как уже в самом начале мне представилось совершенно новое явление.
Корреспондент: – Какого числа это было?
– 8 ноября.
– В чем состояло это открытие?
– Я работал с Hittorf-Круксовской трубкой (без окошка Ленарда), завернутой в черную бумагу. Кусок картона, покрытый платино-цианистым барием, лежал тут же на столе. Я пропустил через трубку ток и заметил свечение экрана. Явление такого рода (свечение экрана) может зависеть только от действия на экран лучей какого-либо света. Но так как трубка была старательно уложена и завернута в черную бумагу, абсолютно не пропускающую известные нам до сих пор световые лучи, даже электрической дуги, то я вынужден был предположить, что действие на флуоресцирующий экран должно непременно исходить от самой Круксовской трубки и ни от чего больше, в чем я скоро и убедился. Я увидел, что из трубки выходят лучи, которые производят люминесценцию на экране. Я повторял опыт бесчисленное количество раз, на разных расстояниях и всегда получал один и тот же результат. Экран люминесцировал и вблизи трубки, и на расстоянии 2 м. Вначале я думал, что имею дело с новым родом света, но впоследствии убедился, что это не так, поскольку новые лучи не отражаются и не преломляются.
– Может быть, это электричество?
– Если это и так, то не в той форме, какой мы его знаем.
– Что же это такое?
– Я не знаю, я пока изучаю, но убежден в существовании каких-то новых лучей. Я стараюсь изучить их свойства. Прежде всего, мне удалось констатировать, что этим лучам присуща необыкновенная, до сих пор еще не известная сила проникновения сквозь плотные тела. Они проходят с одинаковой легкостью как через бумагу, сукно, дерево, так и через некоторые металлы, причем толщина предмета в известных пределах не играет никакой роли. Все эти исследования подробно мною изложены в предварительном сообщении в Вюрцбургском физико-медицинском обществе.
Таковы были дословные ответы Рентгена на вопросы корреспондента. Ответы короткие и скромные, как и его знаменитое сообщение в местном ученом Обществе в 1895 г.
Продолжая свои исследования, Рентген убедился, что все дело – в катодных лучах, которые, падая на какой-либо участок внутри грушевидной вакуумной трубки, при известной силе тока отражаются внутренней поверхностью, вследствие чего проявляются их новые свойства:
• они могут проходить через стеклянные стенки трубки в воздух и распространяться прямолинейно на большое расстояние;
• эти лучи способны на расстоянии вызывать явление флуоресценции и действовать на фотографическую пластинку;
• Х-лучи не видимы для нашего глаза;
• они проникают прямолинейно сквозь плотные тела, не проходимые для обыкновенных световых лучей;
• Х-лучи в отличие от катодных в гораздо меньшей степени поглощаются воздухом и не отклоняются магнитом;
• сила проникновения Х-лучей в глубину не всегда одинакова;
• качество Х-лучей в одной и той же трубке не одинаково – оно меняется и зависит от степени разрежения воздуха;
• установлена восприимчивость человеческого глаза к лучам Рентгена;
• частицы воздушной пыли служат центрами отражения вторичных и т. д. Х-лучей.
Что касается отклонения, преломления, поляризации и интерференции Х-лучей, то Рентгену установить эти физические свойства не удалось. Он обнаружил еще десяток свойств Х-лучей, представляющих специальный физический интерес.
Продолжая исследование открытых им лучей, Рентген установил практически все, что известно об Х-лучах сегодня. Он также объяснил, каким образом из катодных лучей образуются Х-лучи. В.-К. Рентген положил начало просвечиванию и фотографии человеческого тела Х-лучами. Ученый отлично понимал значение своего открытия, в частности, перспективы его применения в медицине. Он не взял никаких патентов и категорически отказался от многочисленных и настойчивых предложений со стороны различных фирм, сознательно отдав свое изобретение человечеству. И только Нобелевская премия, которую Рентген получил первым из физиков, принесла ему денежный доход (1901).
Ажиотаж во всем мире, вызванный открытием Х-лучей, бестактные попытки продемонстрировать свою причастность к великому открытию или связь с его автором были противны душе ученого. Рентген замкнулся в себе, ограничил свое общение узким кругом друзей и научных сотрудников. Редко можно было увидеть улыбку на его лице. Он не принимал орденов, не выступал на собраниях, не участвовал в чествованиях, чуждался почетных званий. Перейдя после своего открытия из Вюрцбурга в Мюнхенский университет, он работал там до конца своей жизни, отказавшись от почетной и высокооплачиваемой должности академика Берлинской академии наук и от кафедры физики в Берлинском университете. Рентген был человеком аскетической скромности и весь смысл своей жизни видел только в развитии классической физики.
Открытие Х-лучей – одно из самых блестящих достижений Рентгена как ученого-экспериментатора не только в связи с новизной самого явления, но и степенью его изученности. В трех небольших статьях, опубликованных Рентгеном в течение полутора лет, новое явление было представлено настолько всесторонне, что на протяжении последующих 15 лет сотни работ других ученых мужей ничего существенного к этому исследованию не могли добавить, вплоть до обнаружения Барклом характеристических лучей и открытия Лауэ и Г.В. Вульфом дифракции рентгеновских лучей. Читая статьи Рентгена, поражаешься ясной логике эксперимента и необычайной простоте его постановки. Для всего исследования практически не потребовалось каких-либо сложных приборов. Электроскоп, кусочки металлов, стеклянные трубки – это вся аппаратура опытов Рентгена.
Завистники, особенно Филипп Ленард, проглядевший Х-лучи, не могли простить Рентгену его наблюдательности. Они пытались изобразить открытие Рентгена как чисто случайную удачу какого-то физика, в руки которого попала трубка Ленарда. Правда, сегодня физики высоко оценивают и работу Ленарда, который в 1892 г., будучи ассистентом Генриха Герца, по его совету разделил катодную трубку алюминиевой фольгой на две части и исследовал катодные лучи в двух отдельных пространствах с различным давлением газов. Развивая эту идею, Ленард изготовил катодную трубку с окошком из фольги и установил, что это позволяет вывести катодные лучи за пределы трубки. Изобретение Ленарда было использовано в многочисленных экспериментах, позволивших исследовать природу и свойства катодных лучей. За этот цикл работ ученый был удостоен Нобелевской премии по физике в 1905 г. Справедливости ради заметим, что Рентген не признавал ленардовских электронов не только из-за вражды с ученым, но и потому, что, по его мнению, это еще только слово, не наполненное содержанием. В институте, руководимом Рентгеном, запрещалось произносить слово «электроны», так как он считал, что постоянное упоминание о них подменяет их сложную природу удачно подобранным словом, а вся сложность проблемы не разрешается разделением разрядов на отдельные электроны.
Возвращаясь к рентгеновскому излучению, возникающему в катодно-лучевой трубке, следует подчеркнуть, что оно многократно наблюдалось и прежде, но последний решающий шаг был сделан В.-К. Рентгеном. Именно он повторил некоторые из более ранних экспериментов, показав, что исходящие из окошка Ленарда катодные лучи (тогда еще неизвестные) вызывают флуоресценцию экрана. Именно он, желая улучшить условия наблюдения свечения в катодной трубке, затемнил лабораторию, в результате чего «случайно» заметил, что картонный экран, покрытый флуоресцирующим минералом, во время работы катодной трубки начинает светиться. Тщательно проанализировав и устранив возможные причины ошибок, Рентген установил, что флуоресценция появлялась всякий раз, когда он включал трубку [1], то есть источником излучения была именно трубка, а не какая-нибудь другая часть цепи [2], а экран флуоресцировал на расстоянии почти 2 метров от трубки, что намного превосходило возможности короткодействующих катодных лучей [3]. Семь недель он исследовал явление, названное им Х-лучами (неизвестными лучами), которые впоследствии только так и именовал. Тень, которую отбрасывал на флуоресцирующий экран проводник от индукционной катушки, создававшей необходимое для разряда высокое напряжение, навела Рентгена на мысль об исследовании проникающей способности Х-лучей в различных материалах. Держа небольшой свинцовый диск между разрядной трубкой и экраном, ученый заметил, что свинец не проницаем для Х-лучей, и тут же сделал поразительное открытие: кости его руки отбрасывали на экран более темную тень, окруженную более светлой тенью мягких тканей. Действительно, рентгеновские лучи стали интересны сами по себе, но настоящую сенсацию они произвели, когда выяснилась их способность проникать через тело человека и давать изображение его скелета.
Литература
1. Иоффе А.Ф. Встречи с физиками. – Москва: Изд-во физико-математической литературы, 1962. – 143 с.
2. Линденбратен Л.Д., Наумов Л.Б. Медицинская рентгенология. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Медицина, 1984. – 384 с.
3. Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия. Пер. с болг. / Под ред. и с предисл. А.Н. Шамина. – М.: Мир, 1986. – 368с.