Текст книги "Космические сыщики"

Сказка о Рентгене, невидимых лучах и видимых костях

На следующий вечер Галатея, едва дождавшись окончания ужина, сразу вцепилась в Джерри крепкой хваткой:

– Как же были открыты рентгеновские лучи? Меня недавно ими просвечивали!

Гость усмехнулся:

– Безусловно, каждый землянин знаком с рентгеновскими лучами. Они используются для диагностики многих заболеваний и спасли миллионы жизней. Эти лучи открыл очень скромный и честный человек – Вильгельм Конрад Рентген, который родился в Германии, в семье купца в 1845 году. Мать мальчика была родом из Амстердама, и когда Вильгельму исполнилось три года, семья переехала в Голландию. Мальчик любил бродить по лесам и мастерить мелкие механизмы. В 16 лет он поступил в Утрехтскую техническую школу, из которой его отчислили через два года – как раз за честность.

– Разве за это отчисляют? – удивилась Галатея.

– Кто-то нарисовал на преподавателя карикатуру. Этот учитель зашёл в класс, когда Вильгельм рассматривал рисунок. Преподаватель потребовал выдать автора, но Вильгельм отказался назвать имя – за это его и отчислили.

– Действительно пострадал из-за честности! – хмыкнула девочка.

– Из-за этого Вильгельм не мог, как остальные школьники, получить аттестат о среднем образовании и поступить в университет. В течение двух лет он учился самостоятельно, ему разрешили сдать экзамен экстерном. Однако невезение продолжилось: экзамен принимал тот самый обиженный учитель и он провалил Вильгельма, несмотря на его глубокие и обширные знания. В итоге юноша навсегда остался без аттестата зрелости и без права поступить в университет.

– Это несправедливо! – возмутилась Галатея.

– Став взрослым, Вильгельм Рентген написал:

«Школьные экзамены чаще всего не дают основания для оценки способности к определённому предмету: они – к сожалению – необходимое зло. Вообще экзамены! Они необходимы, чтобы уберечь некоторых людей от пожизненной профессии, для которой они были бы слишком ленивы или неумелы, да и то не всегда. В остальном экзамены являются мукой для обоих участников, которая позже часто вызывает страшные сны! Настоящую проверку способности к определённой профессии даёт только дальнейшая жизнь».

– Неужели Вильгельм так и не попал в университет? – спросил Андрей.

– Рентген год посещал лекции в университете Утрехта, не имея права сдавать экзамены. В это время он узнал, что без аттестата зрелости можно поступить в швейцарский Федеральный технологический университет города Цюриха. Для этого требовалось сдать строгий вступительный экзамен, что для Рентгена проблемой не являлось. Но от вступительных экзаменов юношу освободили – благодаря отличным отметкам в школьном табеле, посещению лекций в Утрехте и ввиду зрелого возраста.

Вильгельм получил университетское образование в Швейцарии и стал работать ассистентом профессора Кундта на кафедре физики в Цюрихе. У него была успешная научная карьера…

– Успешнее, чем у того мстительного учителя! – мстительно сказала Галатея.

– Вильгельм Рентген прославился как один из лучших экспериментаторов своего времени. Он преподавал в качестве профессора в Страсбургском, Гиссенском, Вюрцбургском и Мюнхенском университетах.

В 1894 году Рентген, работавший тогда в Вюрцбурге, заинтересовался опытами Ленарда и решил их повторить. Он написал два письма: Ленарду – с просьбой подсказать, где взять тонкую алюминиевую фольгу для встраивания в стенку газоразрядной трубки, и известному стеклодуву Мюллеру-Ункелю в город Брауншвейг – с заказом газоразрядного аппарата. Вскоре Рентген получил от Ленарда два кусочка алюминиевой фольги в подарок, а от стеклодува – новую «катодно-лучевую трубку по Ленарду».

Вильгельм сразу повторил опыты Ленарда и восхитился их красотой. Летом 1894 года его избрали ректором университета города Вюрцбурга, поэтому больше года у него не было времени заниматься научными экспериментами. В своей вступительной речи новый ректор процитировал своего предшественника – П. А. Кирхера, который занимал пост ректора Вюрцбургского университета в XVII веке: «Природа часто проявляет удивительные чудеса даже в самых обычных вещах, однако их замечают только те люди, которые с проницательностью и способной к исследованиям сообразительностью наводят справки у опыта – наставника всех дел».

Только осенью 1895 года Рентген смог вернуться к экспериментам с катодными лучами, где он стал использовать вакуумные трубки по Гитторфу и Круксу.

Ленард нашёл, что фотопластинки возле разрядной трубки засвечены. Внимательный исследователь, Рентген заметил, что катодные лучи в этом не виноваты: фотопластинки засвечивались, даже если бралась классическая стеклянная трубка без алюминиевого окошечка Ленарда, то есть катодные лучи не могли выходить за пределы трубки. Очевидно, речь шла о новом явлении.

Рентген был очень трудолюбив. Занимая пост ректора и являясь уже немолодым пятидесятилетним человеком, он оставался работать по вечерам, когда все лаборанты уходили домой. Поздним вечером пятницы 8 ноября 1895 года, работая в одиночестве, Рентген включил разрядную трубку Гитторфа, обернутую чёрным картоном, и вдруг заметил, что кристаллы платиноцианистого бария, лежавшие неподалёку, засветились зеленоватым светом. Стоило выключить трубку, гасли и кристаллы. Рентген снова включил трубку – и увидел тот же свет. Это был звёздный час учёного! Рентген понял, что натолкнулся на что-то необычное и важное. Он сказал своему близкому другу, биологу Бовери: «Я обнаружил что-то интересное, но не знаю, верны ли мои наблюдения».

Рентген заперся в лаборатории, попросив установить там кровать и приносить ему еду. Семь недель он всесторонне исследовал обнаруженное явление. Огромным плюсом являлось то, что для анализа таинственных лучей не требовалось проявлять фотопластинки: свечение кристаллов платиноцианистого бария служило надёжным и быстрым индикатором невидимого излучения.

Рентген разместил рядом с трубкой бумажный экран, с одной стороны смоченный раствором платиноцианистого бария. При каждом разряде трубки на экране наблюдалось флуоресцирующее свечение, причем независимо от того, какой стороной к трубке повернут экран – смоченной или нет.

– То есть лучи Рентгена проходили и сквозь чёрный картон, и сквозь бумажный экран? – спросила Галатея.

– Да. И если на их пути встречалось какое-то тело, то оно задерживало часть лучей. Прозрачность по отношению к новому излучению зависела от материала тела. Тогда Рентген поместил между трубкой и экраном свою руку. Результат он описал в научной статье: «Если держать руку между разрядной трубкой и экраном, то видны тёмные тени костей на фоне более светлых очертаний руки». Это и было первое рентгеноскопическое исследование.

– Но Ленард делал практически то же самое, но брал не экран, а фотопластинку!

– Разница между опытами Ленарда и Рентгена заключалась в том, что Ленард не понимал происходящее и приписывал засвечивание фотопластинок катодным лучам, состоящим, как мы сегодня знаем, из электронов.

А электроны легко задерживаются самыми незначительными препятствиями. Рентген сразу понял, что имеет дело с новым типом хорошо проникающих лучей, которые он назвал Х-лучами, а мы называем рентгеновскими. Это электромагнитное излучение, только гораздо более короткое по длине волны, чем видимый свет.

Рентген попробовал воздействовать на поток Х-лучей магнитом, но они на него не среагировали, показав принципиальное отличие от катодных лучей. Х-лучи возникают в точке, где катодные лучи соударяются со стеклом разрядной трубки. Можно было варьировать конструкции трубок, заменить стекло на алюминий – Х-лучи продолжали возникать.

Андрей задумался, потом сказал:

– Ленард не провёл контрольный эксперимент. Если он полагал, что фотопластинку засвечивают катодные лучи, вырывающиеся из разрядной трубки через алюминиевое окошко, то он должен был повторить опыт с обычной стеклянной трубкой – из которой катодные лучи не выходят – и убедиться, что эффект исчез. Если бы Ленард провёл такой эксперимент, то обнаружил бы, что эффект засветки пластинок сохраняется, а значит, за него отвечает новое излучение, хорошо проникающее через разные материалы.

Джерри одобрительно кивнул:

– Верно. У тебя мышление учёного.

– Упустил Ленард свой звёздный час! – сказала Галатея. – Если бы не упустил, вместо рентгеноскопии в медицине использовалась бы ленардоскопия.

– За рождественские праздники Рентген написал своё историческое «О новом виде излучения (предварительное сообщение)» и 28 декабря передал его секретарю Физико-медицинского общества города Вюрцбурга. Несмотря на то что в рождественские праздники заседания общества не проводились, статью включили в «Отчёты заседаний», и через несколько дней она вышла в свет в печатном виде.

Уже 5 января 1896 года сенсационная новость об открытии Рентгена появилась в австрийских газетах и была передана во все концы света по телеграфу. 13 января немецкий кайзер Вильгельм II пригласил Рентгена к себе, чтобы тот продемонстрировал ему новое явление. 16 января газета «Нью-Йорк Таймс» опубликовала статью о лучах Рентгена, которые сулят переворот в хирургии.

23 января Рентген сделал первый и единственный официальный доклад о своём открытии перед Физико-медицинским обществом города Вюрцбурга, во время которого была изготовлена знаменитая рентгеновская фотография кисти руки известного анатома фон Кёлликера.

Во всех развитых странах исследователи – профессионалы и любители – бросились изучать новое явление. Уже в феврале 1896 года врачи начали использовать рентгеновские лучи для диагностирования опухоли на кости, нахождения пуль в предплечьях солдат и хирургических операций. За один год этой теме было посвящено более 1000 научных статей, не считая огромного количества газетных и журнальных заметок. Открытие рентгеновских лучей оказалось полезным для медиков и, кроме того, стало возбуждающе новым и ясным для широкой публики.

Перед людьми словно внезапно открылась дверь в волшебное царство. Мир присутствовал при настоящей технической революции. Очень редко какое-либо открытие так быстро меняло жизнь человечества! В том же 1896 году учёные и медики освоили и применили на практике все современные виды использования Х-лучей; в дальнейшем, в основном, происходили технические улучшения и усовершенствования аппаратуры.

Открытие Х-лучей взволновало не только учёных, но и обычное население. Физические лаборатории осаждали врачи и больные. Проводились бесчисленные публичные опыты с демонстрацией изображений скелетов живых людей. Это производило очень сильное впечатление на публику, вплоть до истерик и обмороков.

Открытие Вильгельма Рентгена дало мощный толчок для развития естествознания. Так, в феврале 1896 года, воодушевленный открытием Рентгена, Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность. Но это уже другая история.

Рентген активно и бескорыстно способствовал распространению своего открытия, отказавшись от любых возможностей извлечь из него прибыль. Хотя разные фирмы, почуяв огромный доход от аппарата, просвечивающего человека насквозь, делали учёному очень выгодные предложения. Широкий интерес публики вместе с усилиями самого Рентгена, создавшего удобную для генерации рентгеновских лучей трубку с катодом из вогнутого алюминиевого зеркала, способствовал быстрому прогрессу рентгенотехники, её применению в медицине и промышленности.

Слава Рентгена росла со скоростью снежной лавины, что ему, человеку скромному, очень не нравилось.

В 1901 году Рентген стал первым лауреатом Нобелевской премии в области физики. Премию ему вручили в Стокгольме, в большом зале Музыкальной академии, в присутствии наследного принца Швеции. После вручения награды скромный Рентген отказался от речи, а премиальные деньги передал Вюрцбургскому университету. Когда баварский принц наградил его высшей наградой Баварии, которая давала право на дворянство, Рентген не стал претендовать на титул и приставку «фон».

– Не думаю, что дворянство сделало бы Рентгена более уважаемым человеком, – сказал Андрей.

Джерри кивнул:

– Именем Рентгена назвали единицу дозы облучения – рентген, а рентгеновские лучи, которые используют миллиарды землян, являются лучшим памятником автору этого замечательного открытия. Рентген расширил электромагнитный спектр в коротковолновую сторону от видимого света – аналогично тому, что Герц сделал с длинноволновой частью спектра. Общеизвестный спектр электромагнитных колебаний, который тогда состоял из видимого света, обрамлённого по краям инфракрасным излучением и ультрафиолетом, распахнулся в обе стороны в тысячи раз, открыв для исследователей новые способы изучения и земных материалов, и космических объектов. Сейчас существуют спутники, которые видят небо в рентгеновских лучах, и вид «рентгеновского» неба поражает своей красотой и информативностью.

– Значит, даже когда исследователи таинственных излучений не думали о космических исследованиях, они всё равно являлись космическими сыщиками? – спросила Галатея.

– Конечно, без их работ современные космические исследования были бы просто невозможны.

Примечания для любопытных

Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) – немецко-голландский физик, открывший в конце 1895 года рентгеновские лучи. Первый лауреат Нобелевской премии по физике (1901). Научный руководитель Абрама Федоровича Иоффе (1880–1960), российского учёного, ставшего «отцом» советской физики.

Рентгеновские лучи – электромагнитное излучение с длиной волны от 0,005 до 10 нанометров – более короткой, чем у ультрафиолетового излучения (10-380 нанометров) и видимого света (380–780 нанометров). Нанометр – это 10⁹ метра, или одна миллионная часть миллиметра.

Август Кундт (1839–1894) – известный немецкий физик, научный руководитель Вильгельма Рентгена и выдающегося российского физика Петра Лебедева (1866–1912).

Страсбургский университет – французский университет, расположен в Страсбурге и основан в 1538 году.

Гиссенский университет – старейший университет города Гиссена немецкого княжества Гиссен-Дармштадт, основанный в 1607 году.

Вюрцбургский университет – один из старейших немецких университетов, расположен в Вюрцбурге. Основан в 1402 году (первое основание) и 1582-м (повторное основание).

Мюнхенский университет – один из старейших университетов Германии, основанный в 1472 году.

Иоганн Вильгельм Гитторф (1824–1914) – немецкий физик и химик. Для своих исследований разработал специальную разрядную трубку – трубку Гитторфа. Первым в 1868–1869 годах открыл катодные лучи и сравнил их с электрическим током, но его работы остались малоизвестными. Через 10 лет Крукс повторил открытие Гитторфа и более подробно изучил свойства катодных лучей.

Томас Бовери (1862–1915) – немецкий биолог, друг Вильгельма Рентгена. В 1904 году обосновал хромосомную теорию наследственности.

Альберт фон Кёлликер (1817–1905) – известный немецкий анатом и физиолог.

Сказка о таинственном излучении Сен-Виктора и Беккереля

Уран – распространённый химический элемент: в земной коре его в 40 раз больше, чем серебра, и в 500 раз – чем золота. Уран можно найти практически везде – в минералах и почве, в воде рек и океанов.

Золотистая окись урана, находимая в рудниках и по берегам рек, использовалась как краска для узоров на глиняных вазах ещё две тысячи лет назад. Впоследствии минералы, содержащие уран, стали добавлять в расплав при варке цветного стекла. Оказалось, что урановое стекло красиво светится при воздействии ультрафиолетового излучения, и с конца XIX века начался настоящий бум в производстве праздничной посуды из стекла с примесью урана. Забегая вперед, отметим, что, когда в 1940-х годах стало известно военное применение урана, власти США конфисковали все его запасы, в том числе тарелки и вазы из уранового стекла, хранившиеся на складах. В 1950-х годах производство светящейся урановой посуды возобновилось и было окончательно прекращено только в 1972 году, когда опасность радиоактивного облучения стала всем очевидна.

Впервые чистый уран – тяжёлый металл стального цвета – получил французский химик Пелиго в 1840 году. В XIX веке уран и его соединения привлекли внимание многих исследователей. В 1804-м немецкий химик Гелен заметил, что раствор хлорида урана на свету быстро меняет ярко-жёлтый цвет на зелёный. Этот факт решил использовать химик-экспериментатор Сен-Виктор, который в середине XIX века искал способ получить цветные фотографии с помощью светочувствительных солей металлов. В 1857 году он обнаружил, что его фотопластинки засвечиваются солями урана. Химик задумался: возможно, за этот эффект отвечает фосфоресценция или флуоресценция?

– Это что за зверьки? – не выдержала Галатея напора незнакомых терминов.

Дзинтара пояснила:

– Так называют нетепловое свечение вещества. Флуоресценцией называют свечение, например, кристаллов платиноцианистого бария, облучённых рентгеновскими лучами, или уранового стекла под воздействием ультрафиолета. Некоторые предметы, занесённые с яркого света в темноту, светятся довольно долго – этот эффект называется фосфоресценцией. При исчезновении внешнего фактора флуоресценция прекращается за долю секунды; в случае фосфоресценции свечение длится до нескольких часов или дней.

Андрей сказал:

– У меня где-то есть фосфоресцирующие кубики: если подержать их на ярком солнце, они в темноте светятся зелёным из угла моей комнаты. Постепенно свечение слабеет, и к утру их почти не видно.

Дзинтара согласилась:

– Да, эффект ослабления свечения типичен для фосфоресцирующих веществ. Но Сен-Виктор обнаружил, что его пластинки засвечиваются даже образцами солей урана, которые полгода провели в темноте, то есть они никак не могли фосфоресцировать. В 1861 году учёный решил, что соли урана дают «радиацию, невидимую нашему глазу». Мишель Шеврель, видный учёный и руководитель Сен-Виктора, высоко оценил его работу, назвав её «фундаментальным открытием». В 1868 году французский физик Эдмонд Беккерель опубликовал книгу «Свет», где описал опыты Сен-Виктора с солями урана и фотопластинками.

– Значит, это Сен-Виктор открыл радиоактивное излучение?! – воскликнул Андрей.

Дзинтара вздохнула:

– И да и нет. Открытие делает не только учёный, но и всё общество. Мало открыть дверь в неизвестное, нужно, чтобы кто-нибудь согласился туда войти. Если учёный открыл что-то непривычное, значительно опережающее существующий уровень знаний, его открытие может не получить отклика у других учёных, не станет работать на развитие науки. Такое открытие «молчит» – так было с гелиоцентрической системой Аристарха Самосского, генетической работой Менделя и космогоническими идеями Канта. Через десятки, сотни, а то и тысячи лет «молчащее» открытие повторно открывают другие учёные, и оно начинает влиять на прогресс общества, встраиваться в общее здание науки. Чтобы открытие «прозвучало», цивилизация должно быть к нему готова. В середине XIX века природа света оставалась непонятной и тем более ничего не было известно о строении атома и существовании невидимых излучений. В подобных условиях работа Сен-Виктора оказалась почти незамеченной.

– Невидимой! – подала голос Галатея.

– За вторую половину XIX века произошли серьёзные изменения: в 1865 году Максвелл доказал электромагнитную природу света, в 1886-м Герц обнаружил невидимое радиоизлучение, в эти же годы активно исследовались катодные лучи, а в конце 1895 года Рентген открыл невидимые Х-лучи. Всё это качественно изменило отношение учёных к возможности открытия новых невидимых излучений.

Эдмону Беккерелю в его опытах со светом активно помогал сын Антуан, которому на момент публикации книги «Свет» было 14 лет. Впоследствии он сам стал учёным, занимался вопросами фотографии и люминесценции солей урана.

Династия Беккерелей дала миру четыре поколения учёных. Антуан Беккерель стал в семье третьим главой кафедры физики в Национальном музее естественной истории Франции. Как только он узнал об открытии рентгеновских лучей, то подумал, что они могут испускаться при фосфоресценции тел, которой он сам занимался. Учёный полагал, что, полежав на ярком солнечном свете, вещество может испускать не только обычный свет, но и Х-лучи.

Антуан Беккерель был неправ, зато среди образцов фосфоресцирующих веществ у него были соли урана (сульфат уранила-дикалия). Однажды Антуан запланировал исследование на ярком солнечном свете, но из-за туч, закрывших небо, отложил эксперимент. Фотопластинки, завёрнутые в плотную чёрную бумагу, он положил в стол вместе с образцами солей урана.

На следующий день учёный обнаружил, что лежавшая в столе фотопластинка оказалась засвеченной, несмотря на то что была завёрнута в плотную чёрную бумагу. Существенной разницей по сравнению с опытами Сен-Виктора являлось то, что фотопластинки засвечивались сквозь плотную чёрную бумагу, которая задержала бы любое видимое излучение. Дальнейшие опыты Беккереля показали, что излучение не зависит от температуры и вызывает ионизацию воздуха, как и лучи Рентгена.

Антуан Беккерель правильно установил причину засветки – невидимое излучение от урана. В то время уже можно было достать металлический уран. Беккерель сравнил его радиоактивность с излучением от солей урана и выяснил, что чистый металл даёт в три с половиной раза более сильное излучение, нежели его соль, которая содержала и другие химические элементы. Значит, именно уран отвечает за засветку фотопластинок!

В своих статьях Антуан Беккерель сослался на работы Ленарда, ученика Герца, и Рентгена, в которых тоже исследовались невидимые излучения. Работа Беккереля считается классическим примером случайного открытия, которое было сделано хорошо подготовленным к этому учёным.

– Если он читал книгу своего отца, Эдмона Беккереля, то, конечно, он был хорошо подготовлен, – отметил Андрей.

Дзинтара продолжила:

– Общество восприняло открытие радиоактивности не только благодаря работам Герца, Ленарда и Рентгена, но и с помощью открытия Пьера и Марии Кюри, которые изучили радиоактивность тория и нашли новые радиоактивные химические элементы. О научных достижениях супругов Кюри мы поговорим в следующий раз.

Излучение, которое исследовал Беккерель, какое-то время называли «лучами Беккереля». За открытие радиоактивности в 1903 году Беккерель получил Нобелевскую премию по физике, разделив её с Пьером Кюри и Марией Склодовской-Кюри. Он стал знаменит, его выбрали академиком Французской академии науки, а потом – даже её секретарём. Именем Беккереля названа единица радиоактивности – беккерель, лунный кратер и кратер на Марсе.

Примечания для любопытных

Уран – химический элемент с обозначением U и атомным номером 92 (равным числу протонов в ядре) в Периодической таблице Менделеева. Тяжёлый металл стального цвета. Радиоактивен.

Торий – химический элемент с обозначением Th и номером 90 в Периодической таблице Менделеева. Серый мягкий металл. Слабо радиоактивен.

Эжен Пелиго (1811–1890) – французский химик, получивший в 1840 году металлический уран.

Адольф Гелен (1775–1815) – немецкий химик, открывший светочувствительность солей урана.

Абель Ньепс Сен-Виктор (1805–1870) – французский исследователь, разрабатывавший метод цветной фотографии и открывший, что невидимое излучение солей урана засвечивает фотопластинку.

Мишель Шеврель (1786–1889) – французский естествоиспытатель, исследователь жирных кислот и процесса мыловарения. Прожил 102 года и в конце жизни изучал на себе процесс старения организма, внеся вклад в науку геронтологию.

Люминесценция – эффект нетеплового свечения вещества под действием различных факторов: света, химических реакций, ионизирующих излучений, электрического тока, звука, трения и т. д.

Флуоресценция – частный случай люминесценции, связанный с облучением светом, ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. Флуоресценция практически мгновенно прекращается, когда внешнее облучение исчезает.

Фосфоресценция – эффект, аналогичный флуоресценции, но с гораздо более длительным периодом затухания свечения – от секунд и дольше.

Аристарх Самосский (310–230 гг. до н. э.) – гениальный древнегреческий астроном и математик, создавший первую гелиоцентрическую модель мира. В честь Аристарха назван лунный кратер, астероид и аэропорт на его родине – острове Самос.

Грегор Мендель (1822–1884) – великий ботаник, основоположник учения о наследственности. Жил и работал в австрийском городе Брюнне (ныне – чешский город Брно).

Эдмон Беккерель (1820–1891) – французский физик, исследовавший эффекты флуоресценции. Отец Антуана Беккереля.

Антуан Беккерель (1852–1908) – французский физик, открывший радиоактивность урана. Один из первых лауреатов Нобелевской премии (1903).