Невидимый современник

Но Беккерелю катастрофически не везет. Чтобы вещество флюоресцировало, 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 плотнее вещество, тем, естественно, таких частиц больше) поглощаются атомами.

При поглощении квантов атомами происходит процесс, обратный тому, что мы видели в рентгеновской трубке при рождении лучей. Атом получает большую энергию, которая является лишней, и освобождается от нее. Энергия передается электрону, который отрывается от атома и начинает собственное путешествие в недрах вещества. Такой электрон носит название фотоэлектрона.

Описанный процесс характерен для рентгеновых лучей со сравнительно невысокой энергией квантов. Если же энергия больше, электрон уже не способен принять ее всю, и избыток снова излучается в виде кванта с соответственно меньшей энергией, который ведет себя так же, как и его «родитель»: летит сквозь вещество, пока не поглотится каким-нибудь атомом. Такой электрон, несущий не всю энергию, полученную атомом, а только часть ее, называют комптоновским (по имени английского ученого, сотрудника Резерфорда, изучившего этот процесс), или просто комптон-электрон. Фото- и комптон-электроны объединяют под общим названием вторичных электронов. По своему поведению в веществе они ничем не отличаются.