Новый вид лучей

Новый вид лучей

Доклад

Автор  Шкоропадо М.С.

Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова

Одесса − 2008

На сегодняшний день каждый из нас слышал о рентгеновских лучах, у многих эти слова ассоциируются с флюорографией, поликлиникой, медицинским кабинетом и т.д. Для нас это понятное и объясненное явление, что-то повседневное. Мы знаем, что рентгеновские лучи имеют такую же физическую природу, как видимый или ультрафиолетовые лучи. Они характеризуются очень короткими длинами волн . Для человека конца XIX века начала XX века, это было что-то не понятное, не известное. Особенное впечатление производили снимки полученные с помощью новых лучей. 

Популярность этих лучей была настолько большая, что порой были случаи забавного непонимания. Так, одна лондонская фирма начала рекламировать нижнее белье, защищающее от рентгеновских лучей, а в сенат одного из американских штатов был внесен законопроект, требующий запретить употребление рентгеновских лучей в театральных биноклях.

Человек, открывший эти лучи был герой дня предметом удивлений и почитания, жертвой шуток и карикатур. Кем же был этот немецкий физик, чье имя так быстро стало известно каждому и которого сегодня знает каждый человек? Об этом вы сможете прочитать ниже, а также о его величайшем открытие.



Рис.1 Вильгельм Конрад Рентген

Вильгельм Конрад Рентген немецкий физик, который сегодня известим всему миру, также как и 113 лет назад, когда сделал выдающееся открытие. Он родился 27 марта 1845 году в Леннепе, близ Дюссельдорфа. Его отец был состоятельным торговцем и владельцем фабрики сукна. Мать образованная и разбирающаяся в делах женщина, была родом из Амстердама. Когда ему было три года, отец по неизвестным причинам перенес местопребывание своего предприятия в Голландию. В начале он посещал частную школу в Апельдоорне, потом своего рода техническое училище, или «промышленную школу», в Утрехте. Его родители хотели, что бы он стал торговцем и позднее, как единственный сын, наследовал и продолжил семейное дело. О его школьных годах известно мало, но известен один факт, что из-за безобидной проделки, в которой он принял лишь косвенное участие, его исключили из школы. Для получения аттестата зрелости он пытался сдать экстерном экзамены в другом учебном заведении более высокого ранга, но его попытка не увенчалась успехом. Без аттестата зрелости, для него был закрыт путь в высшую школу. 

По совету одного швейцарского инженера осенью 1865 года, он отправился в Цюрих, чтобы там начать изучение машиностроения в Высшей технической школе, в которой не требовался аттестат зрелости. Для всех поступающих предусматривался специальный вступительный экзамен. За хорошие оценки по естественнонаучным предметам, которые он привез из утрехтского училища, он был освобожден от этого экзамена. Три года Рентген изучал машиностроение на механико-техническом отделении. Наибольший интерес он проявлял к прикладной математике и технической физике.

По окончанию научно-инженерного курса Рентген, следую совету своего будущего наставника физика Августа Кундта, обратился к экспериментальной физике, которой он еще не занимался вплотную. Уже в 1869 году, через год после инженерного экзамена, он получил за статью по теории газа степень доктора философии. В отзыве на его диссертацию отмечаются «добротные знания, самостоятельный творческий талант в области математической физики».

В 1870 году Августа Кундта пригласили в Вюрцбургский университет, в месте с собой он взял своего молодого ассистента. Несмотря на свои отличные успехи по специальности и двойной диплом высшей школы, Рентгену не удалось добиться допуска к конкурсу на доцентуру. В Цюрихском университете при присуждении докторской степени на отсутствие аттестата зрелости великодушно закрыли глаза. В Вюрцбургской Alma mater царили строгие порядки, против которых было бессильно и заступничество Кундта. Но уже в 1872 году Кундт был приглашен во вновь созданный Имперский университет в Страсбурге. Эта высшая школы была свободна от академический пережитков, и при поддержки крупного химика, будущего лауреата Нобелевской премии Адольфа фон Байера, молодому физику удалось в 1874 году получить право на преподавание, несмотря на отсутствие аттестата. Уже через год Рентген стал профессором математики и физики в Высшей сельскохозяйственной школе в Гоенгейме. В этом учебном заведении, в котором у него не было возможностей для экспериментальной работы, он оставался только два семестра, после чего он вернулся в Страсбург как экстраординарный профессор математической физики. 

В университете Гисена в 34 года Рентген получает кафедру экспериментальной физики. В этот период он опубликовал относительно немного робот. Но его работы показали смелое и образцово чистое экспериментаторское искусство и были очень многосторонни по своей тематике. В области науки Рентген не был узким специалистом, но он преимущественно занимался вопросами электромагнетизма и оптики. Больше всего Рентген любил работать простыми приборами, а также в лаборатории, а не в кабинете за письменным столом. Он отлично умел строить приборы и аппараты, необходимые для исследования и преподавания, с их помощью он достигал результатов высочайшей точности.

В Гисене Рентген сделал важное открытие. Основываясь на электродинамике Фарадея-Максвелла, он обнаружил магнитное поле движущегося электрического заряда. Тем самым он создал существенную предпосылку для обоснования теории электронов. Открытое Рентгеном явление Лоренц назвал «рентгеновским током».

Через десять лет успешной исследовательской и преподавательской деятельности Рентген был приглашен в Вюрцбург, после того как он ранее отклонил предложения из Йены и Утрехта. Теперь он как профессор возвратился в тот университет, который двадцать лет назад, руководствуясь своими правилами, отказал ему в приват-доцентуру.

В Вюрцбурге он опубликовала семнадцать работ, которые касались исключительно экспериментальных исследований. Свои специальные публикации он старался рассылать коллегам во все мире. Перечень адресов ученых, с которыми он обменивался публикациями, охватывает около ста имен. Среди зарубежных коллег были Аррениус, Лоренц, Рэлей, Роуланд, Тиндаль, Вильям Томсон и Ван-дер-Ваальс. В 1894 году Рентген был избран ректором Вюрцбургского университета. Его ректорская речь была посвящена истории в Вюрцбурге. Эксперимент, говорил он, является могущественнейшим рычагом, с помощью которого мы можем отвоевать у природы ее тайны, он постоянно должен образовывать «высочайшую инстанцию» в решении вопроса о том, сохранить ту или иную гипотезу или отказаться от нее. Каждое явление должно быть прежде всего как можно более точно во всех частностях подвергнуто наблюдению и описанию; лишь после этого можно отважиться на истолкование.

Вечером 8 ноября 1895 года Рентген, при помощи искрового индуктора с прерывателем, газоразрядной трубки Гитторфа и флюоресцирующего экрана, сделал великое открытие, это открытие является наиболее впечатляющим примером экспериментальной внимательности и опыта. В этот вечер он обернул вакуумную трубку светонепроницаемой черной бумагой, которая задерживала все видимые и ультрафиолетовые лучи. При включении тока высокого напряжения, он заметил странную вспышку маленьких флуоресцирующих кристаллов, лежавших на лабораторном столе. Бумажная ширма, которая была покрыта платиносинеродистым барием, также засияла бледно-зеленым светом. То, что кристаллы лежали по соседству с трубкой, было случайностью. Но световая ширма оказалась в руках ученого, безусловно, не случайно, так как он уже много дней экспериментировал с катодными лучами. Он повторял описанные Герцем и Ленардом опыты с различными типами трубок, исследуя свойства катодных лучей. В этот вечер он с помощью своих опытов узнал, что от вакуумных трубок действительно исходят невидимые лучи. Лучи пробили черную упаковку и заставили светиться флуоресцирующие вещества. Ни один физик этого не заметил ранее и не сообщал об этом. Никаких очевидцев открытия Рентгена нет. Сам ученый весьма неопределенно говорил о его предыстории. Так что довольно скоро появились различные противоречащие друг другу слухи.

Рентген никому не рассказал о своем наблюдении: никому из сотрудников, никому из коллег. И даже своей жене, которую он обычно допускал к участию во всех своих опытах, он не сказал, что работает над чем-то весьма примечательным. Своему лучшему другу, зоологу, он скупо заметил, что нашел нечто интересное, но не знает безупречны ли его наблюдения. Рентген хотел основательно исследовать это новое и загадочное явление, он хотел всесторонне проверить надежность своих наблюдений, прежде чем о них говорить.

На протяжении семи недель ученый в одиночестве работал в своей лаборатории над исследованием новых лучей и их свойств. Чтобы исключить зрительный обман, он запечатлел то, что наблюдал на световом экране, при помощи фотопластинки. Он даже велел приносить себе пищу в институт и поставить там кровать, чтобы не нуждаться в перерывах в работе с приборами, особенно со ртутным воздушным насосом.

Создание высокого вакуума путем выкачивания воздуха из; трубок было тогда утомительным делом и нередко длилось много дней. Так как разрядные трубки большей частью спустя короткое время становились непригодными для использования и Рентген вновь восстанавливал вакуум самостоятельно, основные опыты заняли относительно много времени.

28 декабря 1895 года исследователь выступил с первым сообщением о своем открытии перед Вюрцбургским физико-медицинским обществом. Оно было незамедлительно напечатано под заголовком «Новый род лучей» вюрцбургское книготорговое предприятие, которое издавало сообщения о заседаниях: общества, выпустило тотчас же статью в виде брошюры. Красочная бандеролька с фразой «Содержит новое открытие профессора Рентгена из Вюрцбурга» привлекала внимание к работе. За несколько недель брошюра пережила пять изданий. Она была переведена также на английский, французский, итальянский и русский языки. В своей работе Рентген, в числе прочего, рассказывал о том, как можно получить новые лучи при помощи трубки Гитторфа или другого подобного же прибора, а также характеризовал проницаемость различных предметов, использованных в его опытах. Так как физика газового разряда тогда была еще не разработана и природа новых лучей по-прежнему оставалась загадочной, он назвал их «Х-лучами».

В середине январе Рентген был вызван ко двору в Берлин. Перед кайзером и придворным обществом он сообщил о своих лучах и показал некоторые опыты. 23 января 1896 года он выступал в переполненном зале своего института в Вюрцбурге перед Физико-медицинским обществом. Это был единственный доклад такого рода. В заключение почтенный почти 80-летний анатом Альберт фон Кёлликер под аплодисменты собравшихся предложил в будущем вместо «Х-лучи» говорить «рентгеновские лучи». Рентген, собственно, не возразил, однако из скромности не присоединился к этому предложению. Название «рентгеновские лучи» распространилась главным образом в странах немецкого языка. В англосаксонских странах предпочитают более короткое и легче произносимое название «Х- rays». 

Под влиянием господствующего учения об эфире Рентген склонялся к признанию того, что здесь речь идет о продольных; волнах в эфире: в отличие от световых и электрических волн, которые считались поперечными волнами. В начале 1896 года он заметил в письме своему бывшему ассистенту: «Какова природа лучей, мне совершенно неясно, и являются ли они в действительности продольными лучами света, для меня это второстепенный вопрос главное факты». 

Природа открытых Рентгеном лучей была объяснена еще при его жизни, в 1912 году Лауэ, Фридрих и Книппинг раскрыли тайну их природы. Эти лучи оказались электромагнитными колебаниями, как и видимый свет, но с частотой колебаний во много тысяч раз большей и с соответственно меньшей длиной волны. Эти лучи испускаются твердыми телами при ударе о них потока быстрых электронов. 

В своем «предварительном сообщении» Рентген доказал, что невидимые человеческому глазу Х-лучи действуют на фотопластинку. С их помощью можно делать снимки в освещенной комнате на фотографическую пластинку, заключенную в кассету или завернутую в бумагу. Время экспозиции составляло при тогдашнем фотослое, который обладал малой чувствительностью и не предназначался для особенностей рентгеновских лучей, от 3 до 10 минут, однако именно фотографическое действие новых лучей вызвало наибольший интерес.

К самым ранним, технически великолепным снимкам, которые сделал сам Рентген, относятся буссоль, ящик из дерева с заключенными в нем разновесами и левая рука госпожи Рентген, сфотографированная 22 декабря 1895 года, за несколько дней до первого сообщения.

Фотографии возбудили интерес и вскоре стали так популярны, что при чтении докладов демонстрировались только под стеклом и в рамках, так как иначе они бесследно исчезали.

Открытие которое сделал Рентген принесло ему всемирную известность. Их разных стран ему приходили письма с признанием его научных заслуг. Письма приходили от Томсона, Стокса, Пуанкаре, Больцмана и других знаменитых исследователей.

Рентген опубликовал о своих Х-лучах три небольшие статьи. За первым сообщением в конце декабря 1895 года, собственно свидетельством о рождении рентгеновских лучей, в марте 1896 года последовала вторая заметка, в которой прежде всего рассматривалась способность новых лучей делать воздух и другие газы проводниками электрического тока. Третье, и последнее, сообщение появилось годом позже, в марте 1897 года. В нем ученый изложил свои наблюдения над рассеиванием Х-лучей в воздухе. 

Физики во всех институтах бросились к приборам, чтобы повторить опыт Рентгена, ранее известный только узкому кругу коллег профессор из маленького университета за одну ночь стал наиболее популярным физиком, даже одно время самым знаменитым естествоиспытателем в мире. Только в Германии в 1896 году было опубликовано в общей сложности 50 книг и брошюр и свыше тысячи научных статей о рентгеновских лучах. Научно – популярные статьи и газетные заметки, появившиеся во всем мире в счет не идут. В своем открытии Рентген опирался на результаты других исследований, и в первую очередь на теоретические исследования Гельмгольца и экспериментальные работы Герца и Ленарда, чьи «прекрасные опыты» он с признанием отмечал в первой статье о своем открытии. Рентген очень точно знал эти работы, так как добросовестно и регулярно следил за физической литературой. Его необычайная начитанность в специальных вопросах признается всеми, кто его близко знал. Приборы, при помощи которых Рентген сделал свои открытия, были созданы и апробированы до него другими, прежде всего Гитторфом, Круксом и Гольдштейном.

Все эти исследования уже задолго до Рентгена получали при своих экспериментах рентгеновские лучи, не догадываясь об этом. Ленард, который не мог не заменить их, не пытался исследовать «признаки непонятных побочных явлений». После опубликования первого сообщения Рентгена обнаружилось, что уже в 1890 году в одном американском институте был случайно получен рентгеновский снимок лабораторных предметов. Физики, однако, не зная, как исследовать это явление, не приняли его во внимание и не исследовали причины этого странного фотографического эффекта.

Открытие Рентгена принесло нечто совершенно новое, не предвиденное ни одним физиком, и оно могло быть сразу же и непосредственно практически использовано в области техники и медицины. Рентген первый осознал важность своего открытия в этих направлениях. Фотоснимком руки он уже в декабрьские дни 1895 года выявил значение новых лучей для медицинской практики. В первом сообщении он также обратил внимание на применимость своих лучей для проверки производственной обработки материалов. В третьем сообщении он привел в подтверждение этого снимок двустволки с заряженным патроном; при этом были отчетливо видны «внутренние дефекты» оружия. Довольно быстро рентгеновские лучи получили применение в криминалистике, искусствоведении и других областях. Быстрее всего рентгеновские лучи проникать во врачебную практику. Уже в 1896 году они стали использоваться для диагностики. Вначале новые лучи применяли главным образом для устранения переломов. Но вскоре сфера их применения значительно расширилась. Наряду с рентгенодиагностикой начала развиваться рентгенотерапия. Рак, туберкулез и другие болезни отступали под действием новых лучей. Так как вначале была неизвестна опасность рентгеновского излучения и врачи работали без каких бы то ни было мер защиты, очень часты были лучевые травмы. Многие физики также получили медленно заживающие раны или большие рубцы. Сотни исследователей и техников, работавших с рентгеновскими лучами, стали в первые десятилетия жертвами лучевой смерти. Так как поначалу лучи применяли без проверенной опытом точной дозировки, рентгеновское облучение нередко становилось губительным и для больных.

Рентген прекрасно понимал большое научное, медицинское и технологическое значение своего открытия. Однако, ему чужда была всякая мысль о его денежной эксплуатации. Результаты исследований, полученные в университетской лаборатории с помощью общедоступных средств, должны были свободно использоваться всеми. Рентген решительно отверг предложение Берлинского всеобщего электрического общества передать ему за высокую сумму право на использование патентов всех его будущих физических открытий в технических целях. Он не думал также ни о каких охранительных правах на технику его опыта. Рентген не собирался практически реализовать свое открытие.

Через четыре года после своего открытия Рентген получает приглашение в университет Мюнхена. Перед этим он отклонил приглашение университета в Лейпциге. В Мюнхене Рентген оставался до конца своей жизни, несмотря на многочисленные административно-академические неприятности. Он был директором Физического института университета и одновременно руководил Государственным Физико-метрономическим собранием. В 1904 году Рентген отклонил предложение возглавить Имперский физико-технический институт в Берлине. Через семь лет он точно так же отказался от Берлинской Академии наук.

В 1901 году первым из ученых мира Вильгельм Конрад Рентген получил Нобелевскую премию по физике. Две другие Нобелевские премии за достижение в естественных науках – по химии и медицине – также были присуждены ученым, работавшим в Германии. Для принятия премии исследователь ездил в Стокгольм. Нобелевская премия была вручена ему 10 декабря 1901 года. Денежная сумма, связанная с премией, была передана Рентгеном по завещанию университету, в стенах которого было сделано его открытие. Проценты должны были служить прогрессу научного исследования, но из-за инфляции в 1923 году вклад обесценился.

При вручении премии Рентгену, произошел необычное событие. Рентген единственный лауреат в истории Нобелевского фонда, который вопреки ожиданиям не читал доклада. При своей личной скромности и замкнутости Рентген был откровенно обрадован возможности избежать произнесения перед всем миром речи о себе и своем достижении. Он считал, что все основное о своем открытии он исчерпывающе изложил в трех статья. Отказ Рентгена, от нобелевского доклада послужил причине распространения слухов, утверждающих, что он будто бы несамостоятельно сделал открытие, отмеченное Нобелевской премией, поэтому уклоняется от обнародования его истории. Позднее такого рода клевету с особым рвением распространял Филипп Ленард, приписывавший себе главную заслугу в обнаружении рентгеновских лучей. Дело доходило до курьезов: подлинным первооткрывателем Х-лучей называли даже механика Вюрцбургского института, который якобы первым заметил свечение экрана в ночь открытия и обратил на него внимание Рентгена. До последнего года жизни великий исследователь должен был защищаться от подобных подозрений.

В течение четверти столетия, последовавший за выходом в свет его трех сообщений, Рентген опубликовал лишь немногие труды: в общей сложности около семи. По его собственным словам, в обращении с пером он был «с давних пор тяжел на подъем». Кроме того, он был сверхоснователен. Он хотел отдавать в печать только «хорошо отточенные слова». Таким образом, список его публикаций содержит не более 60 работ.

В Мюнхене у Рентгена была городская квартира. Но с 1904 года он большую часть года жил в своем деревенском доме в Вейльгейме, в 60 километрах от города. Оттуда он ежедневно ездил в свой институт по железной дороге. В созданном им физическом коллоквиуме он сам принимал участие лишь изредка. Специальные заседания и собрания Общества немецких естествоиспытателей и врачей после своего великого открытия он не посещал вообще. Этим объясняется то, что знаменитый физик лично не был известен своим молодым коллегам вне Мюнхена. В 1920 году 75-летний ученый был освобожден от своих административных обязанностей профессора и директора института. Руководство Физико-метрономическим собранием оставалось за ним и он все так же регулярно приходил в институт, где мог располагать двумя комнатами для собственных исследований. 

Одним из его аспирантов, который у него защитил диссертацию в 1905 году, с редкой оценкой «summa cum laude» («с наивысшей похвалой»), был советский физик А.Ф. Иоффе. В месте с ним Рентген исследовал физику кристаллов. Сам Рентген, по словам его коллег высоко ценил сотрудничество с Иоффе. В 1920 году он опубликовал свою последнюю работу – обширную рукопись по физике кристаллов, которая обобщала исследования, начатые им совместно с Иоффе. По мнению Иоффе, этот монографический труд является образцом того, что Рентген понимал под «изложением фактов». После окончания войны знаменитый ученый остался в полном одиночестве. Приемная дочь, племянница его жены, больше не жила у него. Спутница его жизни, за которой он самоотверженно ухаживал во время ее многолетней мучительной болезни, умерла в 1919 году, сам Рентген тяжело перенес эту утрату. 

В 1923 году 10 февраля обессиленный истощением, умер от рака Вильгельм Конрад Рентген. Его прах был погребен в Гисене. Следуя указанию в завещании, распорядители сожгли все, что было найдено из оставшейся от него переписки и неопубликованных рукописей. При этом, к сожалению, были сожжены написанные совместно с Иоффе и неопубликованные работы, и множество лабораторных тетрадей русского физика. 

Открытие Рентгена разом распахнуло перед физической наукой двери в новый мир и одновременно поставило перед теорией совершенно новые задачи. Наряду со своим воздействием на технику и медицину оно имело глубочайшие теоретические последствия. Если и не каждое из последующих достижений было непосредственно связано с ним, то все же лишь немногие великие открытия продолжительное время оставались в стороне от рентгеновских лучей. Создание учения об атомной оболочке и исследование решетчатой структуры кристаллов были бы без них невозможны. Обнаружение радиоактивности было непосредственно стимулировано первым сообщением Рентгена о его открытии. Открытие Рентгена послужило толчком для отказа физиков от механистического представления и природе. Механистическая картина природы еще раньше – в отдельных случаях – подвергалась сомнению, теперь ее недостаточность выявилась со всей очевидностью. Рентгена можно назвать совестью экспериментальной физики, он ярчайшим образом олицетворял собой тип эмпирически работающего естествоиспытателя, внимательного и трезвого наблюдателя природы. Сегодня рентгеновские лучи применяют во многих отраслях науки и техники, например: рентгеновская астрономия, рентгенография, рентгенология и т.д.