Roger Orrit - У атомов тоже есть сердце. Резерфорд. Атомное ядро. Страница 7

Рентгеновские лучи — вид электромагнитного излучения, характеризующегося высокой частотой (то есть высокой энергией). Они возникают в результате сильного ускорения или замедления электрически заряженных частиц. Хотя лучи невидимы, к их излучению чувствительны фотографические пластинки, так что прохождение лучей оставляет след. Так их впервые удалось увидеть Рентгену: лучи формируются в трубке Крукса, где электроны ускоряются под воздействием высокочастотного тока, затем лучи оставляют след на фотопластинке. Сегодня рентгеновские лучи получают в специальных ускорителях частиц, таких как синхротрон, где ускоренные частицы испускают свет синхротрона, включающий в себя ультрафиолетовое излучение, рентгеновские лучи и тому подобное.

Самый характерный вид применения рентгеновских лучей — в качестве диагностического инструмента для визуализации внутренней структуры организма, в первую очередь костной. Сегодня с помощью компьютерной томографии, в которой также используются рентгеновские лучи, кроме более плотных тканей можно наблюдать органы и другие структуры. Так как данный вид излучения относится к ионизирующим, в борьбе с раковыми заболеваниями используется и его свойство уничтожать живые клетки. При этом бесконтрольное получение высокой дозы излучения вредно для организма в целом. В пищевой промышленности рентгеновские лучи используются для продления срока хранения продуктов: облучение задерживает распространение бактерий. Так как рентгеновские лучи обладают маленькой длиной волны, того же порядка, что и размер атома, их используют для изучения кристаллов. Так, техника дифракции рентгеновских лучей позволила Розалинд Франклин (1920-1958) сфотографировать ДНК, что в 1953 году привело Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика к открытию структуры двойной спирали ДНК.

Рентгеновские лучи входят в электромагнитный спектр. Вместе с гамма-лучами они обладают наибольшей энергией в спектре: у них самая высокая частота и наименьшая длина волны.

Конрад Рентген обнаружил, что новые лучи обладали особой характеристикой: они могли проходить сквозь твердые тела. Он назвал их икс-лучами, так как ничего не знал об их происхождении; сегодня они известны как "рентгеновские", по имени их открывателя. Тогда Рентген решил сделать с помощью икс-лучей изображение, ставшее впоследствии одним из самых известных в истории: снимок левой руки своей жены (на которой можно увидеть кольцо). Фотография обошла все лаборатории Европы и вызвала большой резонанс как в научном мире, так и в обществе в целом. Ученым было важно узнать природу, происхождение и характеристики лучей. Также не остались незамеченными многообещающие возможности их применения, особенно в сфере медицины.

Одним из ученых, кого восхитило открытие рентгеновских лучей, был Антуан-Анри Беккерель, в 1892 году занимавший должность директора парижского Музея естественной истории. Беккерель происходил из семьи ученых, работавших в этом музее, а поскольку его отец был экспертом по флуоресцентным минералам, в коллекции их было предостаточно. Рентген высказал предположение, что икс-лучи могли быть связаны с флуоресценцией, так что Беккерель занимал наилучшую позицию для изучения этой гипотезы. На самом деле догадка была ошибочной, но она привела к знаковому открытию.

Внимание Беккереля привлекла интенсивность флуоресценции минерала, состоящего из солей урана (это был сульфат уранила-дикалия, в то время он использовался для окраски керамики и стекла). Для урана флуоресценция характерна в естественном состоянии, поэтому избранный материал идеально подходил для исследований. В 1886 году Беккерель поместил соль урана на фотопластинку (стекло, покрытое слоем светочувствительного материала), завернутую в черную бумагу. При воздействии солнечных лучей на минерал возникала флуоресценция. Черная бумага препятствовала попаданию солнечных лучей на фотопластинку, то есть если бы на пластинке и остался какой-либо след, то только рентгеновские лучи.

На ум приходит гипотеза, что эти лучи, эффект которых напоминает о лучах, изученных Филиппом Ленардом и Вильгельмом Рентгеном, невидимы...

Антуан-Анри Беккерель

После нескольких часов воздействия солнечных лучей минерал стал флуоресцентным. Беккерель проявил фотопластинку и, к своему удовлетворению, как и ожидал, обнаружил образ минерала запечатленным на ней. Его гипотеза полностью подтвердилась. Через неделю ученый захотел повторить эксперимент, но было облачно, и уран и фотопластинку пришлось убрать в ящик стола. Этот на первый взгляд совершенно незначительный момент стал ключом к великому открытию.

Через несколько дней Беккерель достал пластинку и минерал и с удивлением обнаружил, что контур минерала вновь отпечатался на ней. Минерал находился в ящике в полной темноте, поэтому отпечаток не мог быть связан с флуоресценцией. Ученый провел еще несколько опытов, чтобы убедиться, что это неслучайно: он выяснял, не может ли уран сохранять флуоресцентные свойства дольше, чем было принято считать, но в конце концов был вынужден признать, что первоначальная гипотеза потерпела крах. Беккерель все так же был убежден, что на пластинке отпечатались рентгеновские лучи, но природа их, должно быть, иная. Результат открытия был представлен на заседании Парижской академии наук в 1896 году, но никто не придал ему большого значения.

В действительности, не отдавая себе в этом отчета, Бекке- рель открыл радиоактивность. Если для получения рентгеновских лучей нужно было высокое напряжение, происхождение лучей Беккереля было неизвестно, и данная неизвестность привлекла многих исследователей.

Флуоресценция — характеристика некоторых объектов, поглощающих энергию (например, от видимого ультрафиолетового или рентгеновского излучения, от окружающей среды), а затем испускающих энергию на другой длине волн, отличной от первоначальной, в видимом спектре на очень короткий момент (на 10-8 секунды). Это явление происходит при любой температуре, поэтому данные минералы светятся даже при температуре окружающей среды; явление нельзя отнести к тепловым, например к накаливанию и термолюминесценции. Флуоресценция прекращается, когда источник энергии исчезает. Фосфоресценция тоже может обнаруживаться естественным образом в ответном испускании света минералами, при этом фосфоресцентные минералы имеют большую длительность остаточного свечения, даже когда источник света устранен. Продолжительность ответного свечения может составлять от одной секунды до нескольких лет. Соответственно, фосфоресцентные материалы способны светиться в темноте сами по себе.

Облученные коротковолновым ультрафиолетовым (УФ) излучением, урановый шар слева — флуоресцентный, кальцит — фосфоресцентный.

Когда появилось известие об открытии рентгеновских лучей, Томсон принял решение немедленно приступить к их изучению и предложил своему ассистенту помочь ему в этом деле. В мае 1896 года Резерфорд написал будущей жене о новом направлении исследований:

"Томсон был очень занят изучением нового способа фотографирования, открытого Рентгеном [...]. Профессор пытается открыть истинную причину возникновения и природу волн, его цель — прежде других разобраться в теории материи, так как сейчас все исследователи Европы начали войну с этой проблемой".

В 1896 году Резерфорд и Томсон представили научному сообществу данные о том, что рентгеновские лучи ионизировали газы, то есть газ оказывался лучшим проводником электричества при рентгеновском облучении. Это свойство, которое начали использовать для идентификации рентгеновских лучей, было характерно и для других видов излучения, поэтому предположили, что рентгеновские лучи могли оказаться одним из видов электромагнитного излучения. Немецкий физик Макс фон Лауэ (1879-1960) смог подтвердить эту гипотезу спустя два десятилетия.

Томсон отдавал все силы исследованиям катодных лучей, и его работу венчало открытие: катодные лучи оказались отрицательно заряженными частицами, поток которых возникал из атомов. Сразу после этого открытия Томсон предложил свою модель атома.

Пока Томсон изучал атом, Резерфорд исследовал ионизацию газов другими видами излучения, в том числе ультрафиолетовым. Также он решил заняться и рентгеновскими лучами, сразу после того как пришли новости об их открытии. Но не одного его привлекло открытие Беккереля. В Париже супружеская чета Кюри также очень заинтересовалась им. Резерфорд и Кюри разделяли одни и те же научные интересы, что привело их не только к сотрудничеству, но и к соперничеству.