Исследование свойств рентгеновских лучей
Дальнейшие исследования способностей различных металлов отражать рентгеновские лучи дали дополнительные факты в поддержку мнения, которое мною уже высказывалось; в частности, я утверждал, что электрический контактный ряд Вольта в атмосферных условиях идентичен тому, который образуется при расположении металлов в определенном порядке в соответствии с их отражающей способностью. Металл с более высоким показателем электроположительности является лучшим отражателем. Ограничившись металлами, доступными для экспериментирования, я составил следующий ряд: магний, свинец, олово, железо, медь, серебро, золото и платина. Последний из названных металлов будет самым слабым отражателем, а натрий — одним из лучших. Эта связь представляется еще более интересной и наводит на размышления, если учесть тот факт, что данный ряд тождествен тому, который образуется при расположении металлов в порядке их активности соединения с кислородом, что явствует из расчетов их химических эквивалентов.
Если вышеупомянутое соотношение будет подтверждено другими учеными физиками, мы будем иметь основания для следующих выводов. Во-первых , вакуумная лампа излучает потоки материальных частиц, которые отражаются при ударе о металлическую поверхность; во-вторых, эти потоки состоят из материи в ее первичном, или элементарном, состоянии; в-третьих , эти материальные потоки являют собой те же действующие силы, которые вызывают электродвижущее напряжение между металлами, находящимися близко один от другого или практически в контакте, и они, вероятно, до некоторой степени определяют активность соединения металлов с кислородом; в-четвертых , каждый металл, или проводник, является в большей или меньшей степени источником таких потоков; в-пятых , эти потоки, или лучеиспускания, должны генерироваться некими излучениями, существующими в окружающей среде; и в-шестых , потоки, напоминающие катодные, должны испускаться Солнцем, а также, вероятно, и другими источниками лучистой энергии, такими как дуговая лампа или бунзеновская горелка.
Первый из этих выводов очевиден и неоспорим, если исходить из того, что вышеописанный эксперимент проведен корректно. Никакая теория любого рода колебаний не объяснит эту особую взаимосвязь отражающей способности и электрических свойств металлов. Потоки проецируемой материи, фактически сталкиваясь с отражающей металлической поверхностью, дают единственное убедительное объяснение. Второй вывод столь же очевиден, поскольку не наблюдается никакой разницы при использовании разных видов стекла для лампы, электродов из различных металлов и каких угодно остаточных газов. Очевидно, что каким бы ни было вещество, образующее потоки, оно в процессе выбрасывания или, рассматривая шире, проецирования (поскольку мнения по этому вопросу по-прежнему расходятся) должно подвергнуться такому изменению, что полностью теряет свойства, которыми обладало, образуя электрод или стенки колбы или газообразное наполнение последней.
Наличие связи между отражающим и контактным рядом приводит нас к третьему выводу, потому что простое совпадение такого рода, говоря без преувеличений, в высшей степени невероятно. Кроме того, можно упомянуть тот факт, что всегда имеет место разность потенциалов между двумя металлическими пластинами, расположенными на некотором расстоянии одна от другой, и на пути лучей, испускаемых вакуумной лампой.
Теперь, поскольку существует электрическое напряжение из-за разности потенциалов двух металлов, находящихся в тесной близости или в контакте, и учитывая всё вышеизложенное, мы неизбежно приходим к четвертому выводу, а именно к тому, что металлы испускают такие же потоки, и поэтому я прогнозирую, что если между пластинами, скажем, магния и меди поместить чувствительную пленку, то после очень долгой экспозиции в темноте получится настоящее теневое изображение, как у Рентгена. Или, вообще говоря, такое изображение можно получать всякий раз, помещая пластину около металла, или проводника, не принимая пока во внимание изоляционные материалы. Натрий, один из первых металлов электрического контактного ряда, с которым еще не проводились эксперименты, должен испускать больше лучей такого рода — даже по сравнению с магнием.
Очевидно, что такие потоки не могут быть вечными, если только не происходит какого-либо постоянного притока иного излучения из среды; или, возможно, потоки, излучаемые самими веществами, являются просто отраженными излучениями от других источников. Но поскольку все исследования подкрепили мнение, выдвинутое Рентгеном, о том, что для генерации таких излучений требуется некий импульс, то первое из двух возможных объяснений выглядит более вероятным, и следует допустить, что излучения, существующие в среде и являющиеся источником потоков, о которых здесь говорится, напоминают своими свойствами катодные потоки.
Но если такие потоки существуют повсюду в окружающей среде, возникает вопрос: откуда они берутся? Ответ один — от Солнца. Исходя из этого, я делаю вывод: Солнце и в меньшей степени другие источники лучистой энергии испускают лучи, или потоки вещества, подобные тем, которые отбрасывает электрод в условиях вакуума. Сейчас это еще спорный вопрос. В соответствии с этими идеями теневой снимок, подобный рентгеновскому, должен получаться от любого источника лучистой энергии при очень большой экспозиции и при условии, что сначала излучениям дается возможность столкнуться с металлом или другим веществом.
Вышеизложенное приводит к выводу, что массы вещества, образующие катодный поток в лампе, ударяются о ее стенки и дробятся на несравнимо более мелкие частицы и вследствие этого обретают возможность проникать в воздушную среду. Все полученные до сих пор экспериментальные данные указывают скорее на это явление, чем на выброс частиц самих стенок под воздействием сильных ударов катодного потока. Именно в этом, по моему убеждению, состоит различие между лучами Ленарда и Рентгена, если таковое вообще существует: то есть частицы, образующие рентгеновские лучи, имеют несравнимо меньшую величину и обладают большей скоростью. В основном этими двумя свойствами я объясняю непреломляемость лучей под действием магнитного поля, что, как полагаю, в конечном счете будет доказано. Тем не менее оба типа лучей действуют на чувствительную пластину и на флюоресцирующий экран, только лучи, открытые Рентгеном, гораздо более эффективны. Теперь мы знаем, что они образуются при определенных — исключительных — условиях в лампе с чрезвычайно высоким вакуумом и диапазон их максимальной активности довольно мал.
Я попытался выяснить, обладают ли отраженные лучи определенными отличительными свойствами, и с этой целью сделал снимки различных предметов, но ни в одном случае не было отмечено каких-либо особенностей. Поэтому прихожу к заключению, что материя, из которой состоят рентгеновские лучи, не подвергается дальнейшему разложению при ударе о тела. До сих пор одной из важнейших задач экспериментатора остается поиск ответа на вопрос: во что превращается энергия этих лучей? В ряде экспериментов с лучами, отраженными от проводниковой и изоляционной пластины и пропущенными сквозь них, я обнаружил, что лишь малая часть лучей поддается учету. Например, при облучении цинковой пластины толщиной 1/16 дюйма под углом 45 градусов отражалось почти 2,5 процента и около 3 процентов проходило сквозь пластину, следовательно, более 94 процентов совокупного излучения ждет своего объяснения. Все тесты, которые я смог провести, подтверждают высказывание Рентгена о том, что эти лучи не способны повысить температуру тела. Напасть на след потерянной энергии и дать этому убедительное объяснение будет равноценно открытию.
Поскольку теперь мы убедились, что все тела в большей или меньшей степени обладают способностью отражения, диффузия в воздухе легкообъяснима. Изучая свойства рассеивания в воздушной среде, я прихожу к идее повышения эффективности рефлекторов, предусмотрев не один, а несколько отдельных, наложенных друг на друга отражающих слоев, и использую тонкие листы металла, слюды или иных веществ. Эффективность слюды в качестве отражателя объясняется в первую очередь тем, что она состоит из множества наложенных один на другой слоев, каждый из которых отражает отдельно. По моему мнению, эти многие последовательные отражения также вызывают рассеивание в воздушной среде.
В своем сообщении от 1 апреля я впервые высказался по поводу того, что эти лучи состоят из материи в ее первичном, или элементарном, состоянии. Предпочитаю этот оборот речи, дабы избежать употребления слова «эфир», которое обычно понимают в том смысле, как его интерпретировал Максвелл, что не согласуется с моими теперешними взглядами относительно природы излучений.
Привожу здесь следующий факт, который, возможно, представляет некоторый интерес: несколько лет тому назад, как помнится, мною описано необычное явление, которое я наблюдал в лампах с очень высокой степенью разрежения. Это щетка, или поток, которая исходит из единственного электрода при определенных условиях и крайне быстро вращается под воздействием земного магнетизма. А недавно я наблюдал тот же самый феномен в нескольких лампах, мощность которых позволяла интенсивно воздействовать на чувствительную пленку и флюоресцирующий экран. Быстрое вращение щетки вызвало предположение, что, возможно, излучения Ленарда и Рентгена тоже вращаются под действием земного магнетизма, и теперь я пытаюсь получить доказательства такого движения, изучая работу лампы в различных положениях относительно магнитной оси Земли.
Что касается колебательной природы лучей, всё-таки считаю, что эти колебания зависят лишь от используемого устройства. В случае с обыкновенной индукционной катушкой мы почти всегда имеем дело с крайне слабыми колебаниями, которые спровоцированы коллектором или прерывателем. Применяя разрядную катушку, мы обычно наблюдаем очень сильные наведенные колебания в дополнение к собственным, и иногда можно без труда расслышать основную вибрацию, доходящую до четвертой октавы. Но я не соглашусь с тем, что частота колебаний может приблизиться или даже превысить частоту колебаний света, и считаю, что все эти явления с таким же успехом можно получить с постоянным электрическим напряжением, как от аккумулятора, исключив всякие колебания даже в том случае, на который ссылается де ла Рив. Пытаясь выяснить опытным путем, можно ли добиться большей отчетливости в теневых проекциях костей и плоти, — используя токи чрезвычайно высокой частоты, — я не смог обнаружить такие различия, которые зависели бы от частоты токов, хотя и применялись разные токи с предельно возможным диапазоном частот. Однако существует закономерность: чем мощнее воздействие, тем контрастнее отпечатки, при условии, что расстояние не слишком мало. Кроме того, для четкости отпечатков важнейшее значение имеет прохождение лучей сквозь трубчатый отражатель, благодаря чему заметно возрастает параллельность лучей.
Далее, для того чтобы на чувствительной пластине проявилось как можно больше мелких подробностей, мы должны действовать так, как если бы нам пришлось иметь дело с летящими пулями, поражающими стену, части которой имеют разную плотность, и при этом добиваться по возможности большей разницы в пути пуль, проходящих сквозь различные части стены. Очевидно, эта разница будет тем больше, чем выше скорость пуль, следовательно, для выявления подробностей необходимы весьма мощные излучения. Следуя этой теории, я применял исключительно толстые пленки и проявлял их очень медленно; с помощью этого метода были получены более четкие изображения. На важность медленной проявки впервые указал профессор Райт из Йельского университета. Конечно, если предложение профессора Генри об использовании флюоресцирующего вещества, нанесенного на чувствительную пленку, найдет свое применение, то процесс упростится до ординарной скоротечной фотографической процедуры, и то, о чем говорилось выше, утратит актуальность.
Желая получить возможно более мощное излучение, я продолжал уделять внимание этой проблеме и добился неплохих результатов. Прежде всего были ограничены возможности вакуумной трубки, что не позволяло применять такое высокое напряжение, какое требовалось; то есть когда разрежение в трубке достигало достаточно высокой степени, позади электрода появлялась искра, что препятствовало увеличению напряжения в трубке. Я полностью справился с этим затруднением, удлинив провод, ведущий к электроду, и пропустив его через узкий канал, чтобы тепло от электрода не могло вызывать образование таких искр. Еще одно препятствие создавали стримеры, которые появлялись в конце трубки при избыточном напряжении. Это последнее неудобство преодолевал, пропуская холодную струю воздуха вдоль трубки, о чем упоминал ранее, или же погружая трубку в масло. Масло, исключающее присутствие воздуха, является, как это теперь известно, средством, предотвращающим образование стримеров. В Соединённых Штатах в пользу применения масла в связи с генерированием этих излучений высказывался в свое время профессор Троубридж. Поначалу я использовал деревянный ящик, тщательно загерметизированный с помощью воска, заполнял его маслом или другой жидкостью и помещал туда трубку. В процессе изучения некоторых особенностей работы аппарата модифицировал и усовершенствовал его. В более поздних исследованиях применил компоновку, вид которой в разрезе прилагается (ил. 1). Колба b описанного выше типа с подводящим проводом и со значительно более длинной, чем представлено здесь, горловиной была помещена в большую трубку t из толстого стекла. Спереди трубка закрыта диафрагмой e , изготовленной из пергамента, а с противоположного конца — резиновой заглушкой P . Заглушка имеет два отверстия, в нижнее из которых вставлена стеклянная трубка t 1, доходящая почти до самого конца колбы. Из большого резервуара R , установленного на регулируемой подставке S , в находящийся ниже резервуар R 1 по резиновым трубкам rr стекает какое-либо масло. Маслопровод четко просматривается на чертеже. Регулируя разницу в уровнях двух резервуаров, можно без труда поддерживать постоянные условия для работы. Внешняя стеклянная туба t служит отчасти отражателем, кроме того, она дает возможность наблюдать за колбой b в процессе работы. Заглушка P , сквозь которую, не нарушая герметичности, проходит проводник с , установлена таким образом, что ее можно вставлять в тубу t и вынимать из нее, меняя таким образом плотность масла, через которое проходят лучи.
Ил. 1
С этим аппаратом я добился неплохих результатов, которые наглядно демонстрируют преимущества такой компоновки. Например, находясь на расстоянии 45 футов от лампы, мы с ассистентами могли отчетливо видеть кисть руки сквозь экран из вольфрамата кальция, при этом лучи пронизывали слой масла в 2,5 дюйма и диафрагму e. С помощью этого аппарата и метода профессора Генри возможно получение фотоснимков небольших объектов на расстоянии 40 футов при экспозиции всего несколько минут. Но даже и без флюоресцирующего порошка можно использовать короткие экспозиции, и я считаю, что для ускоренной процедуры вышеупомянутый метод не является обязательным. И скорее соглашусь с тем, что для практического применения этого метода, если возникнет такая необходимость, следует принять идею профессора Сальвиони, предложившего наносить на пленку флюоресцирующую эмульсию. Это непременно даст лучшие результаты по сравнению со свободностоящим флюоресцирующим экраном и значительно упростит процесс. Позволю себе, однако, заметить, что со времени моего последнего сообщения экраны были в значительной степени усовершенствованы.
Теперь на заводах Эдисона их покрывают вольфраматом кальция в виде мельчайшего порошка, распределяя его равномерно, и в результате получаются довольно приличные снимки. Я также считаю, что будет полезным применение более мягкой, чем раньше, и утолщенной бумаги. Разумеется, следует отметить, что вольфрамат кальция оказался отличным флюоресцирующим материалом для лампы. Незамедлительно проверив его свойства, считаю, что ничего пока не найдено. Будущее покажет, останется ли он таковым надолго. До нас доходят сообщения, что за границей нашли несколько флюоресцирующих веществ, лучших, чем цианиды.
Г-н Е.Р. Хьюит предложил мне еще одно усовершенствование для увеличения резкости теневых снимков. Он предположил, что отсутствие четкости контура теневых проекций на экране обусловлено рассеиванием флюоресценции от кристалла к кристаллу. Он предложил избавиться от этого при помощи тонкой алюминиевой пластины со множеством параллельных прорезей. Следуя его совету, я провел несколько опытов с проволочной сеткой и экранами из смеси флюоресцирующего порошка. И обнаружил, что общая яркость экрана уменьшилась, однако при сильном облучении теневые проекции выглядели более четкими. Возможно, эта идея найдет свое полезное применение.
Используя описанный выше аппарат, я получил возможность гораздо лучше, чем раньше, изучить тело человека при помощи флюоресцирующего экрана. Теперь позвоночный столб можно увидеть довольно отчетливо даже в нижней части туловища. И так же отчетливо видны контуры бедренных костей. Рассматривая область сердца, можно безошибочно определять его местонахождение. То, что располагалось в глубине кадра, выглядело гораздо ярче, чем края, и это различие в оптической плотности теневой проекции удивило меня. В ряде случаев я уже мог довольно хорошо различать ребра, а также кости плеча. Конечно, нет ничего трудного в изучении костей конечностей. Мною отмечены некоторые необычные эффекты, которые объясняю присутствием масла. Например, лучи проходили сквозь металлические пластины толщиной более 1/8 дюйма, и в одном случае можно вполне отчетливо видеть кости своей руки сквозь медные, железные и латунные листы толщиной почти в 1/4 дюйма. Как выяснилось, сквозь стекло лучи проникали с такой легкостью, что, проходя сквозь экран под прямым углом к оси трубки, они действовали с максимальной интенсивностью, хотя преодолевали плотные массы стекла и масла. Пласт стекла толщиной приблизительно в 0,5 дюйма, помещенный перед экраном, почти не ослаблял флюоресценцию. Когда экран укрепляли перед трубкой на расстоянии около 3 футов, а ассистент находился между экраном и трубкой, его голова отбрасывала на экран лишь слабую тень. Несколько раз это выглядело так, как если бы кости и плоть были в равной степени проницаемы для излучений, проходивших сквозь масло. Когда ассистент находился очень близко к лампе, экран так сильно облучался сквозь его тело, что я мог отчетливо видеть движение его руки. В одном случае даже смог различить кости локтя и предплечья.
Отметив в ряде случаев исключительную лучевую проницаемость костей (свойство костей — пропускать сквозь себя рентгеновские лучи), я сначала предположил, что лучи, возможно, представляют собой высокочастотные колебания, и масло каким-то образом частично поглощало их. Однако эта точка зрения оказалась несостоятельной, когда я обнаружил, что на определенном расстоянии от лампы получил контрастное теневое изображение костей. Это последнее наблюдение побудило меня активнее использовать экран для получения отпечатков на пластине, а именно: с помощью экрана сначала необходимо определить подходящее расстояние для объекта перед съемкой. Вы убедитесь, что зачастую при большем расстоянии изображение бывает более отчетливым. Чтобы исключить возможность каких-либо погрешностей во время экспериментов с экраном, я разместил вокруг аппарата толстые металлические пластины, препятствующие флюоресценции, которая может возникнуть как следствие излучений, попадающих на экран от боковых стенок. Считаю, что такое приспособление совершенно необходимо, если вы стремитесь к корректности ваших научных исследований.
Когда я изучал поведение масел и других жидких изоляторов, чем продолжаю заниматься и сейчас, мне пришло в голову исследовать замечательное явление, открытое профессором Дж. Дж. Томсоном. Некоторое время тому назад он возвестил, что все вещества, через которые проходят излучения Рентгена, становятся проводниками электричества. Применив тест на восприимчивость к резонансу для исследования этого феномена, я сделал это так, как уже показано в моих ранних статьях о токах высокой частоты. Вторичный контур, желательно не в очень близком индукционном контакте с первичным, подключили к последнему и заземлили. Колебания в первичном контуре были настроены таким образом, чтобы резонанс действительно имел место. Поскольку вторичный контур содержал большое количество витков, маленькие тела, присоединенные к свободной клемме, создавали существенные колебания потенциала на последнем. Помещая трубку в деревянный ящик, заполненный маслом, и подсоединяя ее к клемме, я настраивал колебания в первичном контуре таким образом, чтобы резонанс возникал помимо лампы, испускающей лучи Рентгена на значительное расстояние. Затем изменил условия опыта, чтобы лампа начала генерировать излучения с большей эффективностью. Согласно утверждению профессора Дж. Дж. Томсона, маслу предстояло теперь стать проводником и должно было произойти очень заметное изменение в колебании. Однако выяснилось: этого не случилось, и нам следует рассматривать феномен, открытый Дж. Дж. Томсоном, лишь в качестве дополнительного свидетельства того, что здесь мы, возможно, имеем дело с потоками материи, которая, проникая сквозь тела, вбирает в себя электрические заряды. Но тела не становятся проводниками в общепринятом понимании этого термина. Методика, которую я избрал, столь чувствительна, что ошибка представляется мне практически невозможной.
«Electrical Review», 22 апреля 1896 г.