История открытия рентгеновского излучения

В 1895 году Вильгельм Рентген сделал открытие, которое стало важной вехой в истории науки и, особенно, медицины. Рентген открыл новый вид излучения, которому дал название Х-лучи.

Это открытие было подготовлено наличием вакуумных (катодных) трубок Крукса (1879) и флюоресцентных экранов (1878). Дело было, если можно так сказать, за "счастливой случайностью", которая и явилась в лице Рентгена.

8 ноября 1895 года в лаборатории физического института Вюрцбургского университета профессор Вильгельм Конрад Рентген собственными глазами увидел как на картоне, покрытом флюоресцентным химическим составом (кристаллы платиноцианата бария) на слабо освещённой поверхности тёмную линию тени. В этом не было бы ничего необычного, если бы дело не происходило в хорошо затемнённой комнате, а единственный источник света (катодная трубка) не был тщательно прикрыт экраном из чёрного картона, непроницаемого для всех известных лучей, даже самых ярких..

Поскольку до включения катодной трубки никакого света не было, Рентген предположил, что трубка испускает некие неизвестные лучи, которые и заставляют экран светиться. Он поместил свою руку между предполагаемым источником и светящимся экраном и увидел на нём кости руки в виде силуэта. Открытие состоялось!Дальше, как говорится, было делом техники, которой Рентгену было не занимать.

Уже 22 декабря 1895 годаРентген сделал первый в истории снимок "сквозь живую плоть". Для этого он использовал руку своей собственной жены Берты. На рис.1 приведена эта фотография в Х-лучах руки с кольцом на пальце. Дата снимка нацарапана в правом верхнем углу. Вот увеличенный фрагмент этого исторического снимка с датой съёмки.	Рис.1
Редкое научное открытие вызывало такую бурю страстей. Буквально в считанные недели известие о нём облетело весь мир. В первый же год рентгеновским лучам (как их стали называть) было посвящено более полусотни книг и около тысячи статей.

В 1901 году Вильгельму Рентгену за открытие Х-лучей была присуждена первая в историиНобелевская премия по физике.

Список объектов, сфотографированных в рентгеновских лучах в первый же год после их открытия включал много любопытных вещей: мины-ловушки, пищеварительная система собаки, египетские мумии, металлические отливки, пишущие машинки, земноводные и многое другое. Но главное, это рентгенограммы человеческого тела: зубов, камней в печени, сломанных конечностей и так далее.

Рис. 2

Были, конечно, и курьёзы с современной точки зрения. Так в апреле 1897 года в Нью-Йорке У.Мортоном был получен рентгеновский снимок человеческого тела в полный рост за одну экспозицию на плёнке формата 2 х 1 м с расстояния в 1,5 м от катодной трубки. На фотографии (рис.2), взятой из нью-йоркского журнала ElectricalEngineer, изображена 30-летняя женщина в полном облачении: отчётливо видны шляпная булавка, ожерелье, браслет, кольца и сапоги с пряжками и подковами на каблуках.

О губительности Х-лучей для живых тканей при больших дозах облучения ещё не было известно. Поэтому, учитывая большой размер плёнки, её низкую (по сравнению с сегодняшними регистрирующими средами) чувствительность и отсутствие у экспериментатора надлежащего опыта работы с живыми объектами, можно с уверенность утверждать, что судьбе этой женщины вряд ли можно позавидовать — хотя история не сохранила ни её имени, ни каких-либо сведений об её дальнейшей жизни.

Катодная трубка

Катодная трубка, благодаря которой Рентген открыл свои Х-лучи, в сущности была достаточно простым устройством.

Рис. 3

Это стеклянный (или металлический с окошком) баллон, из которого откачан воздух (см. рис.3). Внутри откачанного объёма расположены два электрода (анод и катод), на которые подаётся высокое напряжение.

Катод служит источником электронов, а анод (его часто называют антикатодом) — является источником рентгеновских лучей.

Антикатод срезается под углом примерно в 45^о к оси трубки, поэтому рентгеновское излучение распространяется в направлении нормали к оси трубки.

Электрическое поле, создаваемое высоким напряжением, разгоняет электроны до энергий порядка 10⁴-10⁵эВ, что соответствует разности потенциалов в несколько десятков киловольт. Для получения электронов столь высоких энергий в трубке создаётся вакуум на уровне 10^-6мм рт.ст.

Тормозное излучение

Рентгеновские лучи возникают в результате резкого торможения быстрых электронов в материале антикатода и представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны порядка 0,001 нм до 80 нм. Из-за способа возникновения такое излучение получило название тормозного.

Рис.4

На первых порах волновой характер тормозного рентгеновского излучения не вызывал сомнения. Однако было одно "но". Посмотрите на рис. 4. Спектр тормозного излучения имеет резкую границу в коротковолновой области, причём эта граница смещается при изменении напряжения на катодной трубке. Волновая теория этого объяснить не могла. Всё стало на место после использования квантового подхода к трактовке рентгеновских лучей.

Действительно, разогнавшийся в электрическом поле до скорости v электрон приобретает кинетическую энергию, равную

(mv²)/2 = eU,

где e — заряд электрона, m — его масса; U — напряжение между электродами катодной трубки.

При попадании электрона на антикатод его кинетическая энергия частично передаётся кристаллической решётке, а оставшаяся часть уносится в виде кванта рентгеновского излучения. Закон сохранения энергии в этом случае имеет вид

eU = AT + h .

(1)

Здесь
A_T — энергия, выделяющаяся в виде тепла на антикатоде;
h — постоянная Планка; — частота рентгеновского кванта.

Уравнение (1) позволило объяснить все особенности спектра тормозного излучения. Так из (1) видно, что максимальная энергия рентгеновского кванта не может превышать энергии, которую имеет электрон. То есть

h max= eU.

(2)

Следовательно, переходя к длинам волн, имеем

min= c/ max= hc/eU.

(3)

Рассчитанная по этой формуле (3) минимальная длина волны рентгеновского излучения при заданном напряжении полностью совпала с результатами, полученными из экспериментов.

Величина энергии A_T, отдаваемой электроном антикатоду, может варьироваться в очень широких пределах (именно из-за этого мощные катодные трубки нуждаются в хорошем охлаждении, которое обычно делается водяным). Поэтому энергия рентгеновских квантов тоже может быть любой их заданного диапазона, а сам спектр тормозного излучения должен быть сплошным — из-за этого иногда тормозное излучение даже называют белым рентгеновским излучением по аналогии с белым светом.

Это также соответствует экспериментальным данным.

Квантовый взгляд на природе тормозного излучения объясняет и несколько необычную конструкцию анода в катодной трубке. Вставка в анод пластинки из металла высокой плотности (названной антикатодом) способствует более резкому торможению электронов и повышению в следствии этого энергии рентгеновских лучей. Этот факт был сначала обнаружен экспериментально, но своё объяснение получил только после привлечения квантовой теории.