Николай Лучник - Невидимый современник

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.

При взаимодействии рентгеновых квантов с веществом идут и некоторые другие процессы. Но они существенного значения для радиобиологии не представляют. Например, при взаимодействии рентгеновых квантов очень высокой энергии с тяжелыми атомами (которых в живом веществе почти нет) наблюдается презанятнейший процесс рождения пар. Его трудно понять: ничего подобного в нашем макромире мы не наблюдаем, но процесс идет в полном соответствии с законами физики — законом сохранения и с законом эквивалентности энергии и массы. Невесомый квант при торможении порождает две частицы, обладающие массой: электрон и позитрон (позитрон — частица во всем подобная электрону, но имеющая не отрицательный, а положительный заряд). Энергия превратилась в вещество.