Рентгеновские лучи

В декабре 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген, директор Физического института при Вюрцбургском университете, открыл новый вид лучей. Впоследствии историки науки установили, что это излучение, возникающее в катодно-лучевой трубке, многократно наблюдалось прежде.

Во второй половине XIX в. катодные трубки были во всех сравнительно крупных физических лабораториях, и очень странно, что до Рентгена никто не замечал этих лучей. Еще в 1876—1880 гг. Эуген Гольдштейн изучал катодные лучи, а в 1895—1898 гг. наблюдал свечение некоторых солей под их воздействием. Десять лет спустя Джозеф Томсон, проводя свои опыты с катодными лучами, также заметил, что стекло, помещенное более чем в метре от трубки, фосфоресцирует. Однако он не обратил на это внимания. Физики того времени по опыту хорошо знали, что около работающей катодной трубки нельзя оставлять фотоматериалы, ибо они засвечиваются. Эти и некоторые другие факты свидетельствуют о том, что ученые находились на пороге открытия. Последний, решающий, шаг был сделан Рентгеном в 1895 г. Желая улучшить условия наблюдения свечения в катодной трубке, он затемнил лабораторию. Тогда-то Рентген и заметил случайно, что картонный экран, покрытый флуоресцирующим минералом, во время работы катодной трубки начинает светиться.

Известна мысль, высказанная Пастером, что случайность помогает только подготовленному уму. Рентген сразу же поставил серию экспериментов и подробнейшим образом описал свойства вновь открытых лучей. Он установил, что они распространяются на большое расстояние и проникают через многие вещества. Далее он выяснил, что в отличие от катодных эти лучи не преломляются, не отражаются и не отклоняются в магнитном поле. Всего за несколько месяцев Рентген изучил настолько основательно новое излучение, что понадобилось 20 лет, чтобы добавить что-либо к его выводам.

Рентгеновские лучи были интересны сами по себе, но настоящую сенсацию они произвели, когда выяснилась их способность проникать через тело человека и давать изображение его скелета. В конце прошлого века это было невероятным открытием. Известность Рентгена достигла таких масштабов, что в 1901 г. ему первому среди физиков была присуждена Нобелевская премия.

Сразу же после открытия рентгеновских лучей возник старый спор, который в то время сопутствовал открытию любого вида излучения: является это излучение потоком частиц или электромагнитными волнами? В 1899 г. нидерландские физики Г. Хага и К.X. Винд пропустили пучок рентгеновских лучей через узкую щель и обнаружили слабый дифракционный эффект. Отсюда они сделали вывод о волновой природе рентгеновских лучей и оценили длину волны этого излучения: она была порядка одного ангстрема (одной стомиллионной сантиметра). Для сравнения укажем, что видимый свет имеет длину волны порядка нескольких тысяч ангстрем. В 1904 г. английский физик Чарлз Баркла занялся проверкой гипотезы английского физика Джорджа Стокса о том, что если рентгеновские лучи являются электромагнитными волнами, то они должны поляризоваться, причем поляризация должна зависеть от способа их образования в катодной трубке. Поляризация действительно была обнаружена, и это было воспринято как серьезный аргумент в пользу волновой природы рентгеновских лучей.

В то же самое время, однако, выявились и некоторые факты, свидетельствующие о корпускулярном характере рентгеновских лучей. В 1908 г. Уильям Генри Брэгг исследовал процесс возникновения заряженных частиц под действием рентгеновского излучения. Он, в частности, наблюдал возникновение при этом потока электронов, на основании чего сделал вывод, что рентгеновские лучи представляют собой поток частиц, ибо подобный эффект могут вызвать только частицы. Эти опыты склонили чашу весов в сторону корпускулярной теории, и такое положение сохранилось до 1912 гм когда неожиданно было представлено блестящее доказательство волновых свойств рентгеновских лучей.

В Мюнхенском университете, где продолжал работать Рентген, профессор Арнольд Зоммерфельд поручил своему сотруднику Максу фон Лауэ написать для энциклопедии статью на тему «Волновая оптика». Это побудило Лауэ внимательно изучить теорию дифракции света. В то же самое время один из учеников Зоммерфельда, Пауль Эвальд, работал над диссертацией по оптическим свойствам кристаллов. Часто консультировавший его Лауэ пришел к мысли, что расстояние между атомами в кристаллических решетках — того же порядка, что и предполагаемая длина волны, рентгеновских лучей. В этом случае при прохождении лучей через кристалл должно было бы наблюдаться явление дифракции.

Проверкой предположения Лауэ занялись молодые исследователи Вальтер Фридрих и Пауль Книппинг. После нескольких экспериментов им удалось получить фотографии сложных дифракционных картин. Так, в 1912 г. была сфотографирована дифракционная картина, возникающая при прохождении рентгеновских лучей через кристалл сульфата меди. Это открытие вызвало большой резонанс в научных кругах и явилось убедительным подтверждением волновой природы рентгеновского излучения. Инициатор этих. исследований Макс фон Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей получил в 1914 г. Нобелевскую премию.

Однако толкование рентгеновской дифракционной картины оказалось делом довольно сложным. Лауэ занимался этим вопросом, но с весьма небольшим успехом. Эту проблему разрешили английский физик Уильям Лоренс Брэгг (сын У.Г. Брэгга) и независимо русский кристаллограф Георгий Викторович Вульф. В 1913 г. они вывели формулу, описывающую условия интерференционного отражения рентгеновских лучей от кристаллов (формула Брэгга — Вульфа). С помощью этой формулы можно определить отклонение рентгеновского луча при прохождении через вещество. Указанная формула, связывающая длину волны рентгеновского излучения с периодом кристаллической решетки кристалла, позволяет, с одной стороны, используя рентгеновские лучи определенной длины волны, исследовать структуру вещества, а с другой — используя такие кристаллы, как поваренная соль, структура которой известна, можно исследовать сами рентгеновские лучи. Обширные эксперименты такого рода, проведенные отцом и сыном Брэггами, положили начало рентгеноструктурному анализу и принесли в 1915 г. этим ученым Нобелевскую премию по физике. У.Л. Брэгг, которому тогда было только 25 лет, долго и плодотворно работал в этом направлении. В период 1938—1953 гг., возглавляя знаменитую Кавендишскую лабораторию, У.Л. Брэгг всячески способствовал использованию рентгеноструктурного анализа в зарождающейся молекулярной биологии. И действительно, этот новый метод сыграл важную роль в открытии структуры ДНК («двойная спираль») и определении пространственного строения некоторых белковых молекул.

Интересные исследования с рентгеновским излучением осуществил в начале века Чарлз Баркла. Он первым в 1904 г. экспериментально осуществил поляризацию рентгеновских лучей, доказав их волновую природу, а в 1906 г. открыл так называемое характеристическое рентгеновское излучение. Обычно рентгеновское излучение имеет непрерывный спектр. Оно возникает при резком торможении быстрых электронов при соударении с мишенью. При высоком напряжении (свыше 10 кВ), однако, наряду с излучением, имеющим непрерывный спектр, возникает рентгеновское излучение определенной длины волны. Это излучение Баркла назвал характеристическим, потому что его спектр зависел от характера вещества мишени.

Замеченное явление в то время не удавалось объяснить теоретически. На практике его использовали для получения рентгеновских лучей с определенными свойствами, что было необходимо для рентгеноструктурного анализа. Важность открытия стала ясной через десять лет, после того как отец и сын Брэгги показали возможность исследования рентгеновских спектров с помощью кристаллов с известным строением. В то время Нильс Бор предложил квантовую модель атома, и характеристическое рентгеновское излучение стали объяснять квантовыми переходами электронов с внешних оболочек атома на внутренние. Значение открытия Баркла все более возрастало, и наконец в 1917 г. ему была присуждена Нобелевская премия по физике, которую, однако, он получил лишь в следующем году, после окончания первой мировой войны. Исследование Барклой рентгеновских лучей методом Брэггов положило начало рентгеновской спектроскопии. Ценный вклад в эту область внесли французский физик Морис де Бройль (старший брат Луи де Бройля) и английский физик Генри Мозли.

Мозли первым начал исследовать спектры рентгеновского излучения химических элементов. Он открыл закон (закон Мозли), связывающий частоту спектральных линий с порядковым номером излучающего элемента в периодической таблице Менделеева. Это открытие имело большое значение для установления физического смысла атомного номера элемента. Мозли показал, что характеристическое рентгеновское излучение создается внутренними электронами (находящимися вблизи ядра) атома. Оно дает такую же информацию о внутренних электронах атома, как обычный свет о внешних электронах.

Генри Мозли было всего лишь 26 лет, когда он в 1913 г. опубликовал свою работу, навеки вписавшую его имя в науку. Он погиб два года спустя при высадке английского десанта в проливе Дарданеллы, это произошло тогда, когда уже был подписан и выслан приказ о его демобилизации.

Незавершенная Мозли работа была продолжена шведским физиком-экспериментатором Карлом Манне Георгом Сигбаном. Он разработал новые методы получения детальных рентгеновских спектров и исследовал рентгеновские спектры почти всех химических элементов. Это позволило получить исчерпывающие данные о структуре электронных оболочек атомов.

Сигбан изготовил дифракционную решетку для исследования длинноволнового рентгеновского излучения. Тем самым он ликвидировал пробел между жестким (коротковолновым) рентгеновским излучением, которое исследуется с помощью кристаллических решеток, и оптическим ультрафиолетовым излучением, исследуемым с помощью обычной оптической дифракционной решетки. Исследования шведского ученого показали, как дополняются электронные оболочки атома при переходе от более легких элементов к тяжелым. Его наблюдения позволили определить, сколько электронов находится в соответствующей оболочке того или иного элемента. За обширные и детальные исследования в области рентгеновской спектроскопии Карл Манне Георг Сигбан был удостоен в 1924 г. Нобелевской премии по физике.

Случилось так, что 57 лет спустя такая же награда была вручена Каю Сигбану — сыну Карла Сигбана. Увлекаясь с раннего возраста физикой, Кай Сигбан также занялся исследованием рентгеновского излучения, в частности изучением электронов, выбиваемых рентгеновскими лучами из вещества. В 1951 г., будучи уже профессором, молодой шведский ученый положил начало новому методу электронной спектроскопии и использовал его для химического анализа. Основная заслуга этого исследователя состоит в том, что он сконструировал прибор для исследования энергетических спектров электронов, выбиваемых из атомов рентгеновскими лучами. Разработанный им рентгеновский электронный спектрометр оказался исключительно ценным прибором для современной химии. Максимумы электронных спектров соответствуют энергиям связи электронов на внутренних оболочках атомов, и это дает возможность исследовать структуру молекул. Метод отличается высокой чувствительностью, что позволяет ограничиваться для анализа поверхностным слоем вещества толщиной не более 50—100 А? (ангстрем). Это, между прочим, дает возможность исследовать процессы коррозии, адсорбции и другие поверхностные химические явления. Приборы для электронной спектроскопии являются непременной составной частью оснащения любой современной лаборатории, занимающейся химическим анализом. За развитие метода электронной спектроскопии Кай Сигбан был удостоен в 1981 г. Нобелевской премии по физике.

Первый эффект, вызванный рентгеновскими лучами (свечение флуоресцирующего экрана), Вильгельм Рентген наблюдал в ноябре 1895 г. В декабре он сделал предварительное сообщение об этом открытии, где, в частности, упоминалось, что лучи дают возможность получить изображение скелета человека. Первой рентгенограммой был рентгеновский снимок руки госпожи Рентген, на котором особенно четко выделялось золотое кольцо. Идея о применении рентгеновских лучей в медицине была встречена с энтузиазмом, и уже 20 января 1896 г. в Дартмуте (шт. Нью-Гэмпшир, США) врачи наблюдали с помощью рентгеновских лучей перелом руки пациента. Почти во всех университетских лабораториях того времени имелись катодно-лучевые трубки, которые немедленно были приспособлены для медицинских целей. Довольно быстро была создана и специальная рентгеновская аппаратура для врачебных нужд — было положено начало рентгенологии. Все это, однако, уже относилось к чисто инженерной работе, не интересовавшей теоретиков. В течение десятилетий рентгеновская диагностика оставалась практически на неизменном уровне. Такое положение сохранялось до 1963 г., когда Аллан Кормак, физик из Кейптауна, разработал компьютерный метод рентгеновской томографии. В то время еще не было, однако, достаточно совершенных компьютеров, поэтому идея Кормака реализовалась лишь в 1969 г. Это сделал английский инженер Годфри Хаунсфилд, создав первый действующий аппарат.

При сканирующей томографии тонкий пучок рентгеновских лучей проходит через тело человека и регистрируется детектором. Поскольку ткани тела поглощают излучение, интенсивность пучка уменьшается. На практике используются тысячи детекторов, показания которых автоматически записываются на магнитную ленту. Компьютер обрабатывает данные, и на его выходе получается цветное телевизионное изображение, показывающее детальное строение внутренних органов. Обычные рентгеновские аппараты способны зарегистрировать разницу в поглощении рентгеновских лучей (или, по существу, разницу в плотности тканей) порядка ²/₅₀. Компьютерный томограф улавливает разницу в поглощении порядка ¹/₁₀₀₀. Его шкала охватывает диапазон плотностей от тысячи до тысячной доли плотности воды, что позволяет регистрировать поглощение рентгеновских лучей различными веществами — от воздуха до кости. Единица плотности, характеризующая степень поглощения веществом рентгеновских лучей, получила название «хаунсфилд». Например, коэффициент поглощения печени лежит в пределах 30—60, селезенки 45—70. Очаги воспаленных тканей и опухоли более прозрачны для рентгеновских лучей, нежели здоровые ткани. Обычным рентгеновским аппаратом эта. разница почти не улавливается, а при исследованиях с помощью компьютерного томографа она отчетливо видна, этот аппарат позволяет обнаруживать опухоли размером с булавочную головку.

Компьютерная томография произвела подлинную революцию в методах медицинской диагностики. Она резко увеличила возможность ранней диагностики, что, безусловно, повышает шансы на вылечивание. Врачи очень высоко оценили метод компьютерной томографии, и, считаясь с общественным мнением, Нобелевский комитет при Каролинском институте вынужден был присудить в 1979 г. премию по медицине физику и инженеру — Аллану Кормаку и Годфри Хаунсфилду.