Жданов Герман Степанович

Рентгеновы лучи

Скан: AAW, обработка, формат Djv: DNS, 2011

Редактор В. Т. Хозяинов. Техн. редактор М.А.Панкратова.

Подписано к печати 25/XI 1949 г. 2 печ. л. 1,78 уч. — изд. л. 36,105 тип. зн. в печ. листе. А-15802. Тираж 200 000 экз. Цена книги 50 коп. Заказ № 1919.

3-я типография «Красный пролетарий» Главполиграфиздата при Совете Министров СССР. Москва, Краснопролетарская, 16.

Цена 50 к.

Введение

Народной фантазией создано много сказок о чудесных вещах, с помощью которых люди приобретают необычайное могущество, совершают необыкновенные подвиги. Кто из нас в детстве не слыхал или не читал о волшебном ковре-самолёте, семимильных сапогах, замечательном серебряном блюдечке или шапке-невидимке!

На ковре-самолёте герой сказки в одно мгновение переносится по воздуху из одной страны в другую. Семимильные сапоги позволяют ему шагать так быстро, что за ним никто не может угнаться. Серебряное блюдечко показывает всё, что происходит в любом другом месте света. А шапка-невидимка делает героя невидимым.

Ещё совсем недавно, пятьдесят — сто лет назад, эти сказки были лишь мечтой народа; всё, о чём в них рассказывалось, казалось неосуществимым. В наше время это уже не так. Многое из того, о чём в сказках мечтал народ, ныне, благодаря упорному, часто самоотверженному труду учёных, стало действительностью.

Ежедневно по необъятным пространствам нашей родины, выполняя мирную и оборонную работу, летают тысячи самолётов. А семимильные сапоги — ведь это мотоциклы, автомобили, быстроходные катера! Мыслимо ли пешеходу угнаться за мотоциклом или автомобилем, которые могут пробежать в одну минуту три километра? Даже всевидящее «серебряное блюдечко» уже не удивляет современных людей: это телевизор — прибор, который с помощью радиоволн передаёт изображения на далёкие расстояния. Много и других чудесных вещей изобрёл человек для того, чтобы облегчить и улучшить свою работу и жизнь.

В нашей книжке мы расскажем об одном из таких открытий: о невидимых рентгеновых лучах. Эти замечательные лучи обладают способностью проходить сквозь вещества, непроницаемые для видимого света — сквозь металл, бумагу, кожу. Всевозможные оптические приборы: лупы, бинокли, микроскопы улучшают человеческое зрение, но с их помощью можно рассматривать только поверхность непрозрачных тел. Большинство же окружающих нас предметов — пласты земли, растения, металлы, тела людей и животных — непрозрачны, то-есть не пропускают световых лучей. Между тем иногда бывает очень важно заглянуть внутрь какого-нибудь тела или предмета, не разрушая его. Например, в случае заболевания или повреждения внутренних органов, при переломах костей часто крайне необходимо заглянуть внутрь человеческого тела, осмотреть больные места.

Это можно сделать с помощью рентгеновых лучей. Чтобы обнаружить, например, местонахождение пули или осколка в теле раненого, достаточно лишь «просветить» раненное место рентгеновыми лучами; тогда можно увидеть, где находится пуля или осколок. Рентгеновы лучи позволяют видеть содержимое закрытых предметов (ящика, кошелька, коробки), пустоты в кусках металла и многое другое. Для этого не требуется ни разрезать, ни раскрывать, ни разрушать вещи. Как лампа, зажжённая в тёмной комнате, позволяет увидеть всё, что в этой комнате находится, или как солнечный луч, падающий на прозрачный стакан с налитым в него чаем и опущенной в него ложкой, позволяет увидеть и ложку, и чай, и чаинки, так и пучок рентгеновых лучей, падающий на непрозрачный кусок металла, позволяет обнаружить в нём раковины или пустоты, невидимые снаружи.

У рентгеновых лучей есть и другие чрезвычайно существенные свойства, используя которые можно обнаружить особенности строения тела, невидимые ни в один микроскоп. Эти лучи помогают также узнать, из каких частей состоит то или иное вещество, то-есть определить его химический состав.

Задачей настоящей книжки и является рассказать читателю о свойствах, природе и способах получения рентгеновых лучей; о том, какую пользу они приносят науке и технике.

1. Световые лучи

Наши глаза — один из самых необходимых органов. Глаза — орган зрения. При помощи них мы воспринимаем свет и благодаря этому «видим» окружающий нас мир.

Световые лучи, проникая через зрачок внутрь глаза, оказывают определённое действие на чувствительные окончания нервов, которыми заполнена задняя сторона глаза. Это воздействие по нервам передаётся в мозг, где отдельные возбуждения складываются в целую картину того, что находится перед нашими глазами [1]).

Обычно принято под светом понимать только такие лучи, которые помогают нам видеть окружающее. Главным источником такого видимого света для нас является Солнце.

Солнечный или, как часто говорят, дневной свет представляет собой световые лучи, испускаемые Солнцем — громадным раскалённым газовым шаром.

Солнечная энергия, приносимая нам светом, — главный источник жизни на Земле. Само возникновение жизни на Земле стало возможным благодаря солнечному теплу.

Дневной свет называют естественным светом. Помимо него, люди широко пользуются и другим так называемым искусственным светом. Источники искусственного света всем известны, — это электрические лампы, свечи, керосиновые и газовые горелки.

Свет давно привлекал внимание учёных, они стремились выяснить его природу и свойства. Теперь мы знаем, что видимый нами свет составляет лишь небольшую часть существующих в природе лучей.

Уже на примере солнечного излучения мы обнаруживаем, что кроме видимого света есть и невидимый свет. Действительно, Солнце не только освещает, но и нагревает тела. Вместе с видимым светом к нам доходят и невидимые тепловые лучи Солнца; их называют инфракрасными лучами.

Такие же невидимые тепловые лучи испускают все нагретые тела. Поднесите руку к какому-либо нагретому телу (утюгу, печке) и вы почувствуете идущую от него теплоту. Эта теплота и есть не что иное, как поток тепловых лучей, испускаемых нагретым телом. Тепловые лучи распространяются от него во все стороны и вызывают у человека лишь ощущение тепла. Глаз человека их не замечает. Сколько бы мы ни смотрели в тёмной комнате на горячий утюг, мы его всё равно не увидим. Тело человека также испускает тепловые лучи.

С другой стороны, всем хорошо известно, что солнечные лучи вызывают так называемый загар. Мы знаем, однако, что человек загорает только на открытом воздухе. Если мы будем находиться под стеклянной крышей, которая нисколько не уменьшает видимого света, то не загорим совсем.

Объясняется это тем, что кроме видимых и тепловых лучей Солнце посылает к нам ещё и другие лучи, получившие название ультрафиолетовых. Ультрафиолетовые лучи не проходят через стекло и частично задерживаются даже воздухом. Они-то и вызывают загар кожи. Поэтому человек особенно легко загорает высоко в горах, где слой воздуха, через который проходят солнечные лучи, меньше, и не может загореть под стеклянной крышей.

Ни инфракрасные, ни ультрафиолетовые лучи нашими глазами не воспринимаются. Этим же свойством обладают и рентгеновы лучи.

Если подойти к работающему рентгеновскому аппарату, то при всём старании нельзя заметить в воздухе каких-либо лучей, хотя аппарат излучает потоки рентгеновых лучей и многие из них попадают непосредственно в глаза наблюдателя.

Другой пример — радио. Человек не замечает радиоволн, хотя они распространяются вокруг Земли. Глаза и уши человека не приспособлены для того, чтобы увидеть или услышать радиоволны. А в том, что радиоволны существуют, легко убедиться. Для этого достаточно лишь «настроить» на определённую волну радиоприёмник (т. е. поймать одну из «путешествующих» вокруг нас радиоволн) и можно слышать человеческую речь, музыку, пение, передаваемые на расстояния в многие тысячи километров.

Если нагревать кусок железа, то вначале он остаётся тёмным, хотя по мере разогревания испускает всё больше и больше невидимых тепловых лучей. Но при определённой температуре тела мы увидим, что оно начинает светиться, сначала чуть заметным красноватым свечением, затем яркокрасным, жёлтым и, наконец, ярким белым светом. Это простое наблюдение указывает на близкое родство лучей тепловых и лучей видимого света.

Вызывающие загар ультрафиолетовые лучи могут быть обнаружены также по их действию на фотопластинку. При помощи этих лучей мы можем делать фотоснимки в совершенно «тёмной» комнате. Кроме того, под действием ультрафиолетовых лучей многие тела начинают светиться видимым светом.

Исследуя белый свет, идущий от Солнца, учёные установили, что на самом деле он является сложным. Считают, что белый солнечный свет состоит из семи основных цветов: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, голубого, синего и фиолетового (так называемых семи цветов радуги).

Если лучи света проходят из одного прозрачного тела в другое, то они преломляются, т. е. изменяют своё направление. Это легко обнаружить, если посмотреть сбоку на стакан воды, в который опущена ложка (рис. 1). Ложка кажется изломанной. Это происходит потому, что лучи света, идущие от той части ложки, которая находится в воде, при переходе из воды в воздух отклоняются от прямолинейного пути.

Очень легко поставить опыт разложения белого света на его составные части. Для этого надо пропустить луч света через простой прибор, называемый призмой, Призма — это кусок стекла, ограниченный тремя плоскими гранями (рис. 2).

Рис. 1. Ложка в стакане.

Проходя через призму, световой луч преломляется два раза. При этом различные составные части белого света отклоняются на разные углы.

В результате этого из призмы, на которую падает белый свет, выходят по разным направлениям лучи различных цветов. Если поставить на пути этих лучей экран, то мы увидим картину, которая называется спектром. Спектр видимого света показан на рисунке 2.

Такое разложение белого света в спектр мы часто наблюдаем на небе после дождя в виде радуги, когда солнечные лучи, падающие на Землю, проходят через капли дождя. В радуге, как всякий может убедиться, цвета располагаются именно в том порядке, какой был указан выше.

Рис. 2. Разложение света в призме.

Если бы наш глаз был более приспособленным, то за красным цветом радуги мы обнаружили бы её продолжение, состоящее из невидимых инфракрасных лучей, а за фиолетовым — ультрафиолетовые лучи.

Сейчас точно установлено, что все рассмотренные выше лучи: видимые световые (от красного до фиолетового), инфракрасные и ультрафиолетовые, а кроме того всевозможные радиоволны, интересующие нас рентгеновы лучи и, наконец, гамма-лучи (особого сорта лучи, испускаемые радиоактивными телами), несмотря на различные названия, имеют одинаковую природу.

Какова же эта природа? И в чём, в таком случае, заключается различие между названными лучами?

Природа всех этих лучей связана с электрическими и магнитными явлениями.

Напомним всем хорошо известный опыт. Если мы, рассыпав по столу железные опилки, поднесём к нему магнит, то опилки, до того спокойно лежавшие, подскочат со стола и прилипнут к магниту. Значит, на железные опилки в присутствии магнита действует сила, притягивающая их. Говорят, что вокруг магнита появилось магнитное поле.

Такой же опыт можно проделать с наэлектризованными телами. Результат будет тот же: и вокруг заряженного электричеством тела появляется поле, которое называется электрическим. Попавшие в такое поле заряженные тела будут притягиваться или отталкиваться от тела, образовавшего поле, в зависимости от знаков и зарядов.

Электрическое и магнитное поля связаны между собой. При изменении электрического поля всегда появляется поле магнитное и наоборот.

Световые лучи, как видимые, так и невидимые, и представляют собой такие связанные между собой электрические и магнитные поля, распространяющиеся в пространстве в виде волн.

Эти волны носят название электромагнитных.

Таким образом, все перечисленные выше лучи составляют одну семью электромагнитных волн.

В чём же отличие их друг от друга?

Все видели волны, которые разбегаются по спокойной поверхности воды, если бросить в неё камень. Расстояние от одного гребня до соседнего гребня таких волн носит название длины волны. Волны от брошенного камня имеют длину в несколько сантиметров. Длина волны морских волн значительно больше. Все названные выше электромагнитные волны отличаются друг от друга длиной волны. Радиоволны бывают длинные (в несколько километров) и короткие (в несколько метров или даже сантиметров). Инфракрасные и видимые лучи намного короче. Так, зелёные видимые лучи имеют длину волны, равную 5 стотысячным долям сантиметра. Волны рентгеновых лучей ещё короче: их длины лежат в пределах от десятимиллиардной до стомиллионной доли сантиметра. Ещё меньше длина волны гамма-лучей.

Ниже все известные лучи приведены в одной таблице, которая образует так называемую шкалу электромагнитных волн.

ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

2. Получение и свойства рентгеновых лучей

Рентгеновы лучи были открыты в 1895 году немецким физиком Рентгеном во время работы с прибором, представляющим закрытую со всех сторон стеклянную трубку, из которой почти полностью удалён воздух.

Подобная трубка изображена на рисунке 3. Внутри неё укреплены две металлические пластинки (электроды), от которых наружу отходят тонкие проволоки, впаянные в стекло.

Если такую трубку включить в электрическую цепь, то при известных условиях через неё может итти электрический ток. Электрический ток в трубке представляет собой поток мельчайших заряженных частиц, из которых состоит всякое вещество: электронов и ионов. Такая трубка называется разрядной[2]).

Рентген в своей работе интересовался именно свойствами электрического тока, идущего через газ. У него были трубки разных форм и размеров, и учёный хотел выяснить, как отражается на электрическом токе форма и размеры трубок.

Однажды поздно вечером Рентген один кончал работу в лаборатории. Он закрыл трубку картонным футляром, потушил свет и хотел выключить электрический ток, шедший ещё через трубку, как вдруг увидел в стороне от неё на столе светящийся предмет. Оказалось, что это светится кусок картона, покрытый особым составом: платиново-синеродистой солью бария. Это вещество замечательно тем, что начинает светиться, если на него падает видимый свет. Но была ночь, в комнате было темно, а экран светился. Рентген выключил ток в трубке. Экран перестал светиться.

В эту ночь учёный так и не ушёл домой. Он начал выяснять, почему в комнате, в которой действует разрядная трубка, платиново-синеродистый барий светится.

Скоро Рентгену удалось установить причину этого свечения. Оказалось, что один из электродов трубки становился источником невидимых лучей, которые обладали многими замечательными свойствами; и самым удивительным была их способность проходить через тела, непрозрачные для видимого света!

Оказалось, что под действием новых неизвестных лучей воздух становился хорошим проводником электричества. Наэлектризованные тела быстро теряли свой заряд, если поблизости от них работал источник лучей Рентгена.

Неизвестные лучи, как выяснилось, оказывали воздействие на фотографическую пластинку, подобное действию видимого света.

Открытие Рентгена вызвало большой интерес. Многие учёные начали изучать новые лучи, стремясь выяснить их физическую природу.

Рис. 3. Разрядная трубка.

Рис. 4. Схема устройства электрической лампочки.

Одним из первых начал работать с неизвестными лучами знаменитый русский учёный, изобретатель радио, А. С. Попов, который построил первую в России оригинальную трубку для получения новых лучей. Первое время природа этих лучей казалась совершенно загадочной и необъяснимой. Именно поэтому их назвали сначала «Х-лучами» (икс-лучами), то-есть «неизвестными лучами». В настоящее время, однако, эти лучи принято называть рентгеновыми или рентгеновскими.

Современные рентгеновские трубки устроены несколько иначе, чем трубка, с которой работал Рентген.

Как же устроена и как работает современная рентгеновская трубка?

Для того чтобы лучше понять это, сравним её с обыкновенной электрической лампочкой, изображённой на рисунке 4.

Она состоит из стеклянного тонкостенного баллона (пузыря), к которому прочно прикреплён металлический колпачок, называемый цоколем. Внутри баллона в стеклянной ножке впаяны две проволоки, подводящие ток; они соединены металлической спиралью, которая изготовляется из тончайшей вольфрамовой проволочки. Вольфрам — это редкий и очень тугоплавкий металл. Он расплавляется только при температуре, превышающей 3 000 градусов. Из баллона электрической лампочки полностью выкачивается воздух, и после этого баллон запаивается. Для «зажигания» электрической лампочки нужно пропустить через неё электрический ток. Движение электрического тока по проводам напоминает течение жидкости по трубам, только по проводам течёт не жидкость, а передвигаются электроны, то-есть мельчайшие частицы, несущие на себе отрицательный заряд.

Обычно электроны находятся внутри атомов, из которых и состоят все окружающие нас тела. Внутри атомов электроны удерживает электрическая сила притяжения к положительно заряженному ядру атома. Но в некоторых веществах, например в металлах, атомы располагаются таким образом, что связь отдельных электронов с ядрами ослабевает, электроны становятся свободными, то-есть могут свободно передвигаться в металле между атомами.

Вот такие-то «свободные электроны» и образуют электрический ток в металле.

Тот проводник, по которому электроны притекают к вольфрамовой нити лампы, называется отрицательным, а тот, по которому они уходят прочь, — положительным.

Атомы металла не принимают участия в этом движении электронов вдоль проводника, они остаются на своих местах и образуют атомную решётку, остов проводника.

При своём движении по проводнику электроны сталкиваются с атомами решётки.

В результате этих многочисленных столкновений плавное движение потока электронов вдоль проводника нарушается. Отдельные электроны при ударе резко меняют направление своего движения. Возникает беспорядочное их движение по различным направлениям внутри металла.

Удары электронов раскачивают атомы, которые начинают колебаться, каждый около своего места в решётке.

Энергия колебаний атомов есть тепловая энергия, выделяющаяся при прохождении электрического тока по проводнику.

При обычной температуре электроны металла, свободно передвигаясь внутри него, не могут в то же время выбраться наружу. Атомы, потерявшие электроны, заряжены положительно, они притягивают обратно внутрь металла те электроны, которые попадают на поверхность.

Но при достаточно большой температуре скорости движения электронов настолько возрастают, что такие быстрые электроны оказываются способными преодолеть силы притяжения и вырваться из металла наружу.

Поэтому раскалённое тело, а в нашем случае — вольфрамовая нить, будет испускать во все стороны электроны.

Вокруг светящейся нити обыкновенной лампочки образуется обычно целое облачко из электронов, вылетевших из неё.

Рис. 5. Схема рентгеновской трубки.

Посмотрим теперь на рисунок 5. Здесь изображена схема устройства рентгеновской трубки.

В такой трубке также имеется раскалённая нить, испускающая электроны. Но в отличие от обыкновенной лампы вольфрамовая нить подсоединена к отрицательному проводу источника напряжения. В то же время положительный провод введён внутрь лампы в виде особого электрода, который называется анодом.

Положительно заряженный анод притягивает электроны, испущенные накалённой нитью (катодом). Поэтому вылетевшие из катода электроны уже не образуют электронного облачка около его поверхности, а устремляются к аноду. Им на смену раскалённая нить испускает новые. В такой лампе пойдёт электрический ток — поток электронов, с большой скоростью летящих от катода к аноду.

Для того чтобы нить всё время оставалась нагретой, используется специальный источник электрического тока, изображённый на рисунке 5.

Так устроены рентгеновские трубки. Источником рентгеновых лучей является анод, бомбардируемый потоком быстрых электронов. В рентгеновских трубках электроны двигаются с большой скоростью, вс много раз превышающей скорость пушечного снаряда. Если бы электрон с такой скоростью пустить двигаться вокруг Земли, он совершил бы кругосветное путешествие меньше, чем за секунду.

Поверхность анода рентгеновской трубки во время её работы подвергается непрерывному обстрелу электронами, текущими с катода. Подобно тому как при ударах молота о металл металл разогревается, разогревается и поверхность анода рентгеновской трубки, особенно тот участок, который обстреливается электронами. В этом месте, называемом фокусным пятном, металл может даже частично проплавиться. Тут-то, как обнаружил Рентген, и зарождаются помимо выделяющегося тепла рентгеновы лучи. Они распространяются от фокусного пятна во все стороны.

Мы знаем теперь, что рентгеновы лучи возникают, когда быстро летящие электроны, сталкиваясь с атомами вещества, теряют при этих столкновениях свою энергию. Часть энергии электрона идёт при этом на раскачку атомов вещества, то-есть на повышение его температуры, а часть энергии испускается в виде рентгеновых лучей, в виде лучистой энергии.

Всякий раз, когда электрон движется с ускорением или замедлением, он испускает электромагнитные волны. Чем больше ускорение или замедление электрона, тем короче длина испускаемых электромагнитных волн.

Как теперь установлено, видимый свет также испускается электронами, колеблющимися внутри атомов.

Быстрый электрон, ударяясь о поверхность анода, почти сразу останавливается. В этом случае очень велико торможение электрона, а потому испускаемые при этом электромагнитные волны — рентгеновы лучи — обладают длиной волны примерно в 1 000 раз меньшей, чем длина волны видимого света.

Чем быстрее двигался электрон перед ударом, тем большая потеря скорости произойдёт, тем короче длина волны рентгеновых лучей.

Но скорость электрона зависит от того электрического напряжения, которое приложено между катодом и анодом, именно это напряжение и ускоряет электрон [3]).

Поэтому в зависимости от того, какое напряжение приложим мы к рентгеновской трубке, мы будем получать различные лучи. Меньшее напряжение даёт нам мягкие лучи (более длинные волны), а большее — жёсткие лучи (волны более короткие).

Рис. 6. Внешний вид рентгеновской трубки.

На рисунке 6 показана рентгеновская трубка, применяемая в медицинских рентгеновских кабинетах. Она состоит из стеклянной трубки, длиною около 70 сантиметров. Средняя часть трубки раздута в виде шара. Внутрь её впаяны с одной стороны — катод (обозначен буквой К) (вольфрамовая проволока), с другой стороны — анод — (А). Катод, обычно оканчивающийся цоколем, как у электрической лампочки, имеет подводящий ток проволоки и вольфрамовую спираль, более толстую, чем в обычной лампочке. Анод и катод рентгеновской трубки соединены с источником электрического напряжения. Спираль катода нагревается с помощью отдельного вспомогательного источника тока.

Для работы рентгеновской трубки не годится широко используемый в быту и на производстве ток низкого напряжения. Его напряжение 120 или 220 вольт (вольт — единица измерения напряжения).

Чтобы привести в действие рентгеновскую трубку, нужен ток с напряжением в 50 000–200 000 и более вольт, то-есть ток очень высокого напряжения. Для преобразования тока низкого напряжения в высоковольтный ток применяются специальные приборы, называемые электрическими трансформаторами [4]).

Рис. 7. Общий вид рентгеновской установки.

От трансформатора высокое напряжение подаётся к рентгеновской трубке или с помощью металлических проводов — шин, укреплённых на достаточное расстоянии от потолка с помощью специальных изоляторов, или по специальному высоковольтному кабелю.

Общий вид современной рентгеновской установки с рентгеновской трубкой в защитном чехле — кожухе показан на рисунке 7.

Открытые в конце прошлого века лучи Рентгена получили в наше время широкое распространение. В Советском Союзе имеется многочисленная сеть рентгеновских установок и рентгеновских кабинетов — в больницах, госпиталях, научных учреждениях, ветеринарных лечебницах и на заводах. В Москве, Ленинграде и других крупных центрах нашей страны организованы специальные рентгеновские институты.

В этих институтах проводится глубокое изучение природы рентгеновых лучей, а также методов их использования.

При исследовании рентгеновых лучей сразу встаёт вопрос об их обнаружении. В самом деле, каким образом наблюдают невидимые лучи?

Для этого используют различные их свойства. Одно из свойств рентгеновых лучей состоит в том, что они вызывают свечение некоторых химических веществ. Ведь именно благодаря этому свойству Рентген и открыл эти лучи.

Если в темноте раскрыть коробочку с таким веществом, то мы ничего не увидим. Но стоит только войти с ней в комнату, где работает рентгеновская установка, и подойти к ней так, чтобы рентгеновы лучи попали на светящийся состав, как в то же мгновение он засияет ярким светом, цвет которого зависит от того, какое вещество мы взяли, и будет светиться до тех пор, пока рентгеновы лучи падают на него. При этом самосветящееся вещество остаётся холодным. Стоит только выключить ток в трубке, как свечение прекращается.

Свечение усиливается, если поднести коробку со светящимся составом поближе к рентгеновской трубке.

Такое собственное холодное свечение тел под действием какого-либо облучения называется флюоресценцией. Эта способность целого ряда веществ светиться под действием рентгеновых лучей и используется для их обнаружения. Однако пользоваться порошком для наблюдения рентгеновых лучей неудобно. Поэтому для наблюдения свечения химических веществ под действием рентгеновых лучей изготовляют специальные флюоресцирующие экраны.

Для изготовления такого экрана берут большой лист картона и покрывают его тонким слоем клея, в котором размешан порошок светящегося состава, например сернистый цинк. Таким путём одна сторона картона будет равномерно покрыта слоем светящегося вещества. Картон вставляют в деревянную рамку, а с той стороны, с которой наблюдают свечение, покрывают куском свинцового стекла.

Свинцовое стекло — это прозрачное для видимых лучей стекло; в состав которого входит тяжёлый металл — свинец. Такое стекло позволяет видеть свечение сернистого цинка, но в то же время задерживает рентгеновы лучи, благодаря чему они не попадают на врачей и обслуживающий персонал рентгеновского кабинета. Предохранение обслуживающего персонала от длительного воздействия рентгеновых лучей необходимо, так как эти лучи могут вызвать опасные ожоги на человеческом теле.

Мы уже писали, что одним из замечательных свойств рентгеновых лучей является их способность проходить через тела, непрозрачные для видимого света. Но различные вещества пропускают лучи не в одинаковой степени. Лучи поглощаются, задерживаются телом. Происходит это потому, что электромагнитные волны рентгеновых лучей взаимодействуют с электрическими зарядами, находящимися внутри атомов вещества. Это легко видеть на следующем опыте. Если между рентгеновской трубкой и флюоресцирующим экраном поставить пластинку алюминия, свечение экрана станет слабее; чем толще будет стоящая на пути рентгеновых лучей пластинка, тем слабее будет светиться экран. Если вырезать в этой пластинке буквы или какую-либо фигуру, то лучи легче пройдут через вырезанное место, и в соответствующем месте экран засияет ярче. Это более яркое место покажет форму и положение выреза. Вырез может быть не сквозным, и можно даже сделать его внутри куска металла, а затем загородить ещё одним слоем алюминия. Тогда с помощью видимых лучей света этот вырез не будет заметен. Но на экране, светящемся под действием рентгеновых лучей, снова появится более яркое место, так как здесь лучам пришлось пройти меньшую толщу материала. На этом-то методе и основано просвечивание непрозрачных тел лучами Рентгена. Светящийся экран можно заменить фотографической пластинкой.

Первые опыты получения рентгеновских фотографий произвёл сам Рентген вскоре после открытия им «икс-лучей». Его опыты показали, что под действием рентгеновых лучей фотографическая пластинка чернеет так же, как и под действием солнечных лучей. Это дало возможность разработать способ фотографирования рентгеновских изображений.

На рисунке 8 показано, каким образом получается рентгеновский снимок с куска металла, внутри которого имеется раковина (пустота). Кусок просвечиваемого металла с раковиной помещается на пути рентгеновых лучей. Лучи, пройдя через кусок, попадают дальше на фотографическую пластинку, на которой и получается фотография металла.

Рис. 8. Схема просвечивания металла.

На рисунке 9 изображён рентгеновский снимок живого хамелеона. Как мы видим, эта удивительная фотография не похожа на обычный снимок. На рентгеновской фотографии видны не только мускулы и кожа, но и кости. Каждая отдельная кость заметна так хорошо, как будто бы фотографировался скелет, лишённый всяких мышц.

Рис. 9. Рентгеновский снимок хамелеона.

Рисунок 10 показывает рентгеновскую фотографию руки человека, раненного выстрелом дробью из охотничьего ружья. В пальцах и в ладони застряло много дробинок, положение которых очень хорошо видно; их легко сосчитать. Врачу-хирургу, имеющему такой рентгеновский снимок, значительно легче производить операцию по извлечению дробинок, чем делать это, руководствуясь только наружным осмотром.

Рис. 10. Рука человека, раненного выстрелом дробью.

На рисунке 11 изображён другой рентгеновский снимок. Это — фотография заряженной охотничьей двухстволки. На фотографии видно, что патрон в левом стволе ружья заряжен картечью, а в правом — пулей. В патронах хорошо видны капсюли для воспламенения пороха. Снимок, кроме того, показывает, что ружьё не вполне доброкачественное: в патронной части левого ствола имеется небольшая раковина, которая на фотографии видна в виде небольшого белого кружка.

Рис. 11. Фотография заряженной двухстволки.

Итак, мы видим, что рентгеновские снимки не похожи на обычные фотографии. На этих снимках выявляется внутреннее строение просвечиваемых тел. Объясняется это, как уже говорилось, тем, что рентгеновы лучи, проходя сквозь тела, задерживаются ими в различной степени. Поглощение рентгеновых лучей зависит от толщины и плотности тела и свойств самих рентгеновых лучей. Чем тело плотнее и тяжелее и чем оно толще, тем сильнее задерживаются им рентгеновы лучи.

При просвечивании руки рентгеновы лучи задерживаются и мышцами и костями, но так как кости плотнее мышц, то они задерживают рентгеновы лучи больше, чем мышцы. Металлы задерживают рентгеновы лучи сильнее, чем мышцы или кости. Поэтому если в человеческом теле имеются частицы металла (дробинки, пули, осколки), то эти частицы видны ещё яснее, чем кости и мышцы.

Из известных металлов легче всего лучи проходят через алюминий, идущий на изготовление самолётов; рентгеновы лучи могут пройти сквозь слой алюминия толщиной в полметра.

Больше всего задерживает рентгеновы лучи свинец. Слой этого металла толщиною в несколько миллиметров поглощает рентгеновы лучи почти полностью.

Проникающая способность рентгеновых лучей или, как говорят ещё, их жёсткость не одинакова для всех лучей. Самые «мягкие» лучи Рентгена задерживаются даже тонким слоем вещества, они не годятся для просвечивания. Другие, более жёсткие лучи пронизывают кожу и мускулы человека, но задерживаются костями. Наконец, если взять ещё более жёсткие лучи, они свободно пройдут и через кости человека или слой алюминия в десятки сантиметров толщиной, а поглотятся только более тяжёлыми металлами, как железо и сталь. Очевидно, такие лучи не годятся для исследования внутреннего строения человеческого тела (так как они пронизывают все его части, практически не поглощаясь) и их надо использовать при просвечивании тяжёлых металлов.

Но чем же определяется «жёсткость» рентгеновых лучей и как получить лучи нужной жёсткости?

Мы уже говорили, что рентгеновы лучи могут существенно отличаться друг от друга по своей длине волны. Имеются лучи с длиной волны, составляющей одну стомиллионную сантиметра, но можно получить лучи с ещё в сто раз меньшей длиной волны.

Опыт показал, что чем короче длина волны рентгеновых лучей, тем больше их жёсткость, т. е. проникающая способность. Но длина волны лучей, испускаемых рентгеновской трубкой, как мы уже писали, зависит от напряжения электрического тока, на неё подаваемого. Если питать рентгеновскую трубку напряжением всего в 10 000 или 15 000 вольт, то мы получим очень мягкие рентгеновы лучи, которые не выйдут даже из трубки наружу, а все задержатся её стенками. Если поднять напряжение до 50 000 или 100 000 тысяч вольт, то такие лучи будут очень удобны для просвечивания человеческого тела и не слишком больших толщин лёгких металлов (алюминия, магния), но не будут пригодны для просвечивания сталей.

Наконец, если поднять напряжение ещё выше, можно просвечивать даже тяжёлые металлы. Современные рентгеновские аппараты позволяют менять напряжение в широких пределах и, следовательно, получать как очень мягкие, так и очень жёсткие лучи.

С помощью приборов, изобретённых советскими учёными Терлецким и Векслером, теперь удаётся получать электроны, двигающиеся с огромными скоростями (только на сотые доли процента меньшими, чем скорость света).

Ударяясь об анод, такие электроны рождают рентгеновы лучи с длиной волны, меньшей даже, чем длина волны упоминавшихся выше гамма-лучей.

Эти «искусственные гамма-лучи» дают возможность просвечивать слои тяжёлых металлов большой толщины.

Рентгеновы лучи оказывают воздействие и на живые организмы. Если пользоваться ими осторожно и в небольших дозах, то действие это будет благотворно. Но в других случаях оно может принести и немалый вред. Больше всего этой опасности подвергаются люди, работающие в рентгеновских кабинетах, так как они больше и чаще других имеют дело с рентгеновыми лучами.

Вначале, когда только что были открыты рентгеновы лучи и свойства их ещё не были известны, учёные не знали, какую опасность могут они представлять. Но постепенно было выяснено, в чём заключается это вредное действие лучей, и найдены меры защиты от него.

Действие рентгеновых лучей на человека можно сравнить с действием лучей солнечных. Известно, что солнечный свет оказывает благотворное влияние на организм человека, он укрепляет и закаляет его. Но солнечные лучи могут принести не только пользу. Если человек, который ещё не принимал солнечных ванн, пробудет на солнце длительное время, то вместо пользы он причинит себе большой вред. Не привыкшая к солнечным лучам белая кожа получит тяжёлый солнечный ожог.

Рентгеновы лучи при длительном действии на кожу человека также вызывают ожог. Но этот ожог существенно отличается от солнечного: он проявляется только через две недели и выражается в покраснении кожи. Если ожог был лёгкий, то это покраснение постепенно проходит, но при сильном ожоге на поражённом месте появляется трудно заживающая рана, след от которой остаётся на всю жизнь. Поэтому персонал, работающий в рентгеновских кабинетах, должен предохранять себя от освещения рентгеновыми лучами. Для этой цели недостаточно прикрыть своё тело обыкновенной одеждой: сквозь неё рентгеновы лучи, с которыми обычно приходится работать, проходят совершенно свободно.

Посмотрите на рентгеновский снимок ноги в ботинке (рис. 12). Тут хорошо видны кости ступни и ноги, металлические колечки, через которые продеваются шнурки, и гвозди, которыми прибит каблук, но кожа ботинка почти совершенно не видна, как будто её и нет.

Лучшей защитой от рентгеновых лучей является свинец. Как мы уже сказали, листовой свинец толщиной в 2–5 миллиметров в зависимости от типа рентгеновской трубки, вырабатывающей рентгеновы лучи, полностью задерживает их. Поэтому рентгеновскую трубку обычно заключают в защитный свинцовый кожух с небольшим отверстием для выхода пучка рентгеновых лучей.

Рис. 12. Нога в ботинке.

Однако свинец в виде листа металла не всегда удобен в качестве защитного материала. Он не прозрачен для обычных лучей, да и придать нужную форму толстому слою свинца бывает трудно. Поэтому стали изготовлять другие защитные материалы: свинцовое стекло и просвинцованную резину.

Просвинцованная резина представляет собой обыкновенную резину, в которую добавлен свинец. Такая резина употребляется в рентгеновских кабинетах; из неё изготовляют защитные фартуки, рукавицы и шлемы.

3. Где применяют рентгеновы лучи?

Замечательные свойства рентгеновых лучей нашли себе широкое применение в различных областях науки и техники. Врачи сразу же после открытия Рентгена стали применять «икс-лучи» для просвечивания человеческого тела. При помощи этих лучей можно было наблюдать внутренние органы человека и их повреждения, безошибочно устанавливать род заболевания, находить способ лечения болезни.

Рис. 13. Рука, раненная пулей.

Особенно велико значение рентгеновых лучей в военное время, когда в госпиталях приходится производить в массовых количествах операции по извлечению пуль и осколков и лечение переломов костей.

На рисунке 13 представлен рентгеновский снимок руки раненого. На снимке ясно видно, что пуля застряла в кости. По этой фотографии видно, какое мощное оружие для медицины и, в частности» для хирургии представляют рентгеновы лучи. Имея перед собой такой снимок, военный хирург видит всю картину повреждений, нанесённых ранением, производит как бы бескровное и безболезненное вскрытие человеческого тела.

Впервые рентгеновы лучи были использованы для исследования раненых в условиях боя во время русско-японской войны на крейсере «Аврора» старшим судовым врачом Кравченко.

Применявшаяся в то время рентгеновская аппаратура была несовершенна и неудобна. С тех пор производство её значительно выросло, а сама аппаратура стала приспособленной для работы в различных условиях. В Советском Союзе построены теперь заводы, производящие рентгеновские аппараты, трубки и специальные рентгеновские фотоматериалы.

Рентгеновские аппараты, устанавливаемые в рентгеновских кабинетах, громоздки, тяжелы и их трудно передвигать с одного места на другое. Поэтому был сконструирован передвижной рентгеновский кабинет в железнодорожном вагоне. Сам кабинет располагается в средней части вагона. В одной стороне находится электростанция, дающая ток для рентгеновского трансформатора, а в другой — затемнённая фотографическая комната, в которой проявляются рентгеновские снимки. Такая передвижная рентгеновская лаборатория используется для просвечивания частей мостов на железных дорогах.

Имеется также переносная небольшая и лёгкая рентгеновская аппаратура, которая упаковывается в двух небольших чемоданах и свободно переносится одним человеком. Такой походный рентгеновский кабинет легко доставить в любое место. Он может работать всюду, где есть электрический ток.

Там, где электрического тока нет, применяются передвижные рентгеновские кабинеты на грузовых автомобилях, имеющих собственную небольшую электростанцию. Автомобильные рентгеновские кабинеты используются в полевых госпиталях для просвечивания раненых вблизи передовой линии.

Помимо просвечивания, рентгеновы лучи применяются в медицине для лечения некоторых болезней, как, например, злокачественных опухолей, лишаёв и других. Особенно важно лечение этими лучами раковых опухолей.

С большой пользой применяются рентгеновы лучи в промышленности. Инженеры и мастера на заводах могут теперь просветить любую деталь, пока она ещё не пошла в обработку или в сборку. Детали и части машин с внутренними изъянами можно своевременно забраковать. Таким образом, рентгеновы лучи помогают повышать качество выпускаемой заводами продукции.

На рисунке 14 приведён рентгеновский снимок медной трубки с внутренними разрывами, возникшими в процессе её протяжки. Они обнаруживаются на отпечатке в виде узких тёмных полос. На рисунке 15 приведён рентгеновский снимок куска металла с газовыми пузырями литья (внутри тёмные пятна). Так как отливка была сильно раковистой, оказалось выгодным просветить её всю и выбрать для работы лишь достаточно прочные места. Особенно важно просвечивание частей самолётов. Неисправность или недоброкачественность детали самолёта может вызвать аварию во время полёта в воздухе и привести к гибели лётчика и пассажиров. Поэтому некоторые детали самолётов просвечиваются полностью.

Рис. 14. Медная трубка с внутренними разрывами.

Рис. 15. Раковины в литье.

Рентгеновские снимки делаются не только с небольших деталей, но и с очень крупных машин и их частей. Большое значение имеет рентгеновское просвечивание паровых котлов. Паровые котлы изготовляются обычно из отдельных стальных листов, плотно скреплённых друг с другом при помощи сварки. Для надёжной работы котла очень важно, чтобы сварной шов всюду был прочен. Если в каком-либо месте сварного шва имеется трещина или раковина, то во время работы котла пар может разорвать котёл, что повлечёт за собой большие разрушения. Поэтому в сварных котлах рентгеновыми лучами просвечивается каждый сантиметр шва.

Рис. 16. Рентгеновский снимок сварного шва.

На рисунке 16 приведён рентгеновский снимок сварного шва. Тёмная полоса в середине указывает на внутренний разрыв.

Рис. 17. Просвечивание боковой обшивки корабля

Рентгеновское просвечивание применяется также на судостроительных верфях. На рисунке 17 показано просвечивание боковой обшивки корабля. И в этом случае контролируют качество соединения отдельных металлических листов обшивки.

До сих пор мы рассматривали только применения рентгеновых лучей в технике, основанные на их способности проходить сквозь непрозрачные для обыкновенного света тела. Благодаря этому они делают видимыми скрытые внутри тела дефекты. Но эти дефекты должны быть настолько большими; чтобы тень от них была видна на экране простым глазом. Однако рентгеновы лучи обладают такими свойствами, которые позволяют нам рассмотреть детали строения тел, невидимые в любой самый сильный микроскоп. А изучение строения тел позволяет учёным лучше понять, отчего зависят свойства этих тел: прочность, тягучесть, блеск и так далее. Зная это, человек может по своему желанию изменять свойства тел и изготовлять различные усовершенствованные материалы.

Применение рентгеновых лучей, выявляющее структуру строения окружающих нас тел, называется рентгеновским структурным анализом. Рентгеновский структурный анализ подтвердил предположения учёных о том, что все окружающие нас тела построены из мельчайших частиц: атомов и молекул. Размеры атомов и молекул настолько малы, что даже в самый сильный микроскоп тела кажутся сплошными, хотя на самом деле они состоят из отдельных частиц.

Изучая законы прохождения рентгеновых лучей через различные вещества, учёные могут определить, в каком порядке расположены атомы внутри вещества. С помощью рентгеновских снимков можно как бы увидеть атомы с увеличением в 100 и более миллионов раз.

Рентгеновский структурный анализ показал, что разные тела имеют различное строение, а свойства тел зависят от их строения. Так, например, мы знаем два тела — алмаз и графит. Химический анализ показывает, что оба они состоят из одного и того же элемента — углерода. Однако вид и свойства их настолько различны, что трудно найти между ними что-либо общее. В самом деле, алмаз — это самое твёрдое из всех известных на Земле веществ. Он используется для резки стекла и обработки различных металлов. А графит — его родной брат — мягок, легко растирается пальцами, мажется и оставляет чёрный след; из него изготовляют карандаши. Алмаз прозрачен, как стекло, а графит — чёрен и непрозрачен.

В чём же причина такого различия? Оказывается, в различном расположении атомов. На рисунке 18, а мы видим расположение атомов в алмазе, а на рисунке 18, б — в графите. Различным расположением атомов в алмазе и графите и объясняются их различные свойства. Можно привести и другие примеры.

Рис. 18. Модель расположения атомов в алмазе (а) и в графите (б)

В целом ряде случаев с помощью рентгеновского структурного анализа можно, например, контролировать, правильно ли идёт процесс изготовления изделий из металлов и сплавов. Можно судить и о том, какую механическую или термическую обработку прошёл данный кусок металла: прокован ли он в горячем или холодном виде или отожжён (т. е. прогрет) более или менее длительное время после проковки.

На рисунке 19 приведены рентгенограммы отожжённого и холодно обработанного металла. Разница между ними ясно видна. Если отжог недостаточен, или наоборот, деталь была перегрета — это всё скажется на рентгеновском снимке и позволит во-время исправить процесс, например, изменив температуру печи.

Наконец, пользуясь методами рентгеновского спектрального анализа, т. е. разлагая рентгеновские лучи, испускаемые каким-либо веществом в спектр (подобно тому, как с помощью призмы разлагается в спектр видимый свет — только другими приборами), мы можем определить химический состав тела, т. е. сказать, из какого сорта атомов оно состоит. В целом ряде случаев такой рентгено-химический анализ оказывается проще и скорее, чем обычный химический анализ.

Рис. 19. Рентгенограмма отожжённого и холодкообработанного металла.

* * *

Открытие рентгеновых лучей является огромным достижением науки. Использование этих лучей прочно вошло в нашу жизнь. Лучами Рентгена широко пользуются в настоящее время врачи, инженеры и учёные.

Развитие многих областей науки и техники оказалось возможным благодаря применению рентгеновых лучей. Поэтому советские учёные стараются полностью использовать эти замечательные лучи, чтобы быстрее двигать вперёд науку, укреплять мощь и поднимать культуру нашей великой Родины.

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО ТЕХНИКО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

НАУЧНО-ПОПУЛЯРНАЯ БИБЛИОТЕКА

1. Проф. М. Ф. СУББОТИН. Происхождение и возраст Земли.

2. Проф. И. Ф. ПОЛАК. Как устроена Вселенная.

3. Проф. в. Г. БОГОРОВ Подводный мир.

4. Проф. Б. А. ВОРОНЦОВ-ВЕЛЬЯМИНОВ. Происхождение небесных тел.

5. Проф. А. А. МИХАИЛОВ. Солнечные и лунные затмения.

6. Проф. В В ЛУНКЕВИЧ. Земля в мировом пространстве.

7. А. А. МАЛИНОВСКИЙ. Строение и жизнь человеческого тела

8. Проф. И. С. СТЕКОЛЬНИКОВ Молния и гром.

9. Проф. Б. Л. ДЗЕРДЗЕЕВСКИи. Воздушный океан.

10. Проф. А. И ЛЕБЕДИНСКИИ. В мире звёзд.

11. Проф. К Ф ОГОРОДНИКОВ. На чём Земля держится.

12. С. М ИЛЬЯШЕННО. Быстрее звука.

13. Проф. В. А. ДОРФМАН. Мир живой и неживой.

14. Проф В. В. ЕФИМОВ. Сон и сновидения.

15. Проф. Г. С. ГОРЕЛИК и М. Л. ЛЕВИН. Радиолокация.

16. В. Д. ОХОТНИКОВ. В мире застывших звуков.

17. Ю. М. КУШНИР. Окно в невидимое.

18. Проф. В. Г. БОГОРОВ. Моря и океаны.

19. в. в. ФЕДЫНСКИИ и и. С. АСТАПОВИЧ. Малые тела Вселенной.

20. Г. Н. БЕРМАН. Счёт и число.

21. Б. Н. СУСЛОВ. Звук и слух.

22. Е. П. ЭАВАРИЦКАЯ. Вулканы.

23. ПРОФ. А. И. КИТАИГОРОДСКИИ. Строение вещества.

24. В. А. МЕЗЕНЦЕВ. Электрический глаз.

25. А. С. ФЕДОРОВ и Г. Б. ГРИГОРЬЕВ. Как кино служит человеку.

26. Проф- Р. В. КУНИЦКИЙ. День и ночь. Времена года.

27. Акад. В. А. ОБРУЧЕВ. Происхождение гор и материков.

28. Проф- Р. В. КУНИЦКИИ- Было ли начало мира.

29. Проф. Г. П. ГОРШКОВ. Землетрясения.

30. Проф. И. Ф. ПОЛАК. Время и календарь.

31. л. П. ЛИСОВСКИЙ И А. Е. САЛОМОНОВИЧ. Трение в природе и технике.

32. А. С. ФЁДОРОВ. Огненный воздух.

33. Проф. Н. А. ВАЛЮС. Как видит глаз.

34. Проф. Б. Б. КУДРЯВЦЕВ. Движение молекул.

35. Проф. В. И. ГРОМОВ. Из прошлого Земли.

36. Э. И. АДИРОВИЧ. Электрический ток.

37. В. С. СУХОРУКИХ. Микроскоп и телескоп.

38. А. С. ДАНЦИГЕР. Электрическая лампочка.

39. Н. В. КОЛОБКОВ. Погода и её предвидение.

40. Г. А. ЗИСМАН. Мир атома.

41. В. Д. ЗАХАРЧЕНКО. Мотор.

42. В. Д. ОХОТНИКОВ. Магниты.

43. Б. Н. СУСЛОВ. Между пылинками и молекулами.

44. Д. 3. БУНИМОВИЧ. Фотография.

45. Д. А. КАТРЕНКО. Чёрное золото.

46. В. И. ГАПОНОВ Электроны.

Примечания

1

Подробнее об этом см. брошюру проф. Н. А. Валюса «Как видит глаз», «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.

2

Подробнее о прохождении электрического тока через газы можно прочесть в книжке В. И. Гапонова «Электроны», «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.

3

Понятие напряжения должно быть знакомо каждому, кто хоть немного имел дело с электричеством и электрическими приборами. Подробно о напряжении рассказано в книжке Э. И. Адировича «Электрический ток», «Научно-популярная библиотека» Гостехиздата.

4

О трансформаторах смотри ту же книжку Э. И. Адировича «Электрический ток».

Content

Жданов Герман Степанович Рентгеновы лучи

Введение

1. Световые лучи

2. Получение и свойства рентгеновых лучей

3. Где применяют рентгеновы лучи?

Примечания