Покоренный электрон

Рис. 45. Снимок хамелеона, сделанный рентгеновскими лучами.

Непрозрачное становится прозрачным

Фотографирование с помощью икс-лучей — или, как говорил Рентген, изготовление теневых картин — стало одним из любимых занятий ученого, и он достиг в нем большого искусства. На фотографиях непрозрачные предметы получались прозрачными. Рентген, например, сфотографировал в икс- лучах охотничье ружье. На снимке отчетливо видно, что левый ствол заряжен крупной дробью, а правый — пулей и что в металле ствола есть раковина (рис. 46).

Рис. 46. Рентгеновский снимок охотничьего ружья.

Главная задача, которую ученый поставил себе, — было узнать, где возникают икс-лучи, какова их природа?

Место возникновения лучей Рентген нашел без особого труда. Загораживая отдельные части катодной трубки толстой свинцовой пластинкой, он установил, что икс-лучи исходят из зеленого пятна в стекле трубки, то есть из того места, куда падает катодный луч.

Для проверки своего наблюдения Рентген взял сильный магнит и поднес его к трубке. Повинуясь магниту, катодный луч отклонился в сторону, зеленое светящееся пятно тоже переместилось, а вместе с ним передвинулся и тот участок, из которого исходили икс-лучи. Следовательно, икс-лучи возникают именно в стекле трубки, и причиной их образования служит воздействие катодных лучей на стекло.

Убедившись в этом, Рентген внес усовершенствование в катодную трубку. Внутри трубки на пути катодных лучей он поместил металлическую пластинку, которую теперь называют антикатодом. Катодные лучи, ударяясь о пластинку антикатода, вызывали появление икс-лучей. Металл оказался для этой цели более подходящим материалом, чем стекло, и катодная трубка стала более мощной. Катодную трубку, предназначенную для получения икс-лучей, назвали рентгеновской трубкой (рис. 47).

Рис. 47. Схема рентгеновской трубки — видны катод и антикатод.

Рентген установил, что проникающая способность (или как ее называют — жесткость) икс-лучей зависит от напряжения тока, подведенного к трубке; чем больше разность потенциалов в рентгеновской трубке, тем «жестче» лучи. При малой разности потенциалов икс-лучи получаются «мягкие». Такие лучи применяют для просвечивания человеческого тела, дереза, картона. Более «жесткие» лучи обладают способностью проникать сквозь сталь и другие металлы.

Первую часть поставленной себе задачи Рентген решил.

Чтобы выяснить природу икс-лучей Рентген применил уже испытанный прием — он попробовал воздействовать на них сильным магнитом и электрическим полем. Но ни магнит, ни электрическое поле заметного действия на икс-лучи не оказали. Как и световые лучи, икс-лучи магнитным или электрическим полем не отклонялись.

Это доказывало, что икс-лучи, рожденные катодной трубкой, по своим свойствам резко отличаются от катодных лучей, и, следовательно, их природа — различна.

Вот и все, что узнал Рентген о своих лучах. Какова их природа, в чем причина их возникновения, как они образуются — этого ученый не объяснил.

Он и не мог этого объяснить, потому что не. признавал существования электрона, не хотел принять новой прогрессивной электронной теории. А между тем электронная теория делала успех за успехом и легко смогла объяснить и причину перекала анодной части нити лампочки, смущавшего Эдисона, и загадочную природу икс-лучей, не разгаданную Рентгеном, и целый ряд других явлений.

Рис. 48. Рентгеноснимок ноги в ботинке.

Вредное становится полезным

Термоэлектронная эмиссия, губившая лампочки Эдисона, оказалась не только вредным явлением. Она была использована учеными во многих приборах и в том числе для усовершенствования рентгеновских трубок. Вредное стало полезным.

В современной рентгеновской трубке катодом служит короткая спираль из тугоплавкой вольфрамовой проволоки. Эта спираль накаливается электрическим током напряжением в 8—12 вольт и служит источником электронов.

Электроны массами вылетают из раскаленной проволоки, но образовать вокруг нее облака не могут: к аноду рентгеновской трубки приложено высокое напряжение — не менее 50 000 вольт.

Гигантская разность потенциалов, подобно урагану, подхватывает вылетевшие электроны от катода и стремительно уносит их к аноду.

Скорость полета электронов в рентгеновской трубке достигает 200 000 километров в секунду и более, тогда как скорость винтовочной пули составляет только 800 метров в секунду. Пуля при ее сравнительно небольшой скорости, ударившись о броню, расплавляется. В момент удара энергия движения пули преобразуется в теплоту.

В момент удара электрона о поверхность анода или антикатода энергия его движения также преобразуется. Часть ее тратится на то, чтобы раскачать атомы металла анода (анод сильно нагревается, и его приходится охлаждать проточной водой), часть же энергии электронов преобразуется в энергию квантов нового мощного излучения — получаются рентгеновские лучи.

Тут происходит явление, несколько напоминающее то, что происходит в оболочке атома, когда образуются кванты видимого света. Каждый «прыжок» электрона в оболочке атома с более высокого уровня на более низкий рождает квант света. Причем энергия кванта в точности равна энергии, потерянной атомом при одном «прыжке» электрона.

В рентгеновской трубке электроны совершают гораздо большие прыжки — они перелетают с катода на анод. По дороге электроны сильно разгоняются в электрическом поле и при ударе теряют большую энергию.

Чем большую разность потенциалов проходит электрон, тем большую скорость он приобретает и тем больше энергии теряет при ударе, а следовательно, тем больше энергия излучаемых рентгеновских квантов.

В современных рентгеновских аппаратах применяется напряжение от 50 тысяч и до двух миллионов вольт. При этом возникают такие жесткие лучи, что с их помощью фотографируют внутреннее строение очень крупных металлических изделий: валов машин, стенок паровых котлов и т. д.

В приборах, созданных советскими учеными Терлецким и Векслером, удается разгонять электроны до скоростей, приближающихся к скорости света!

Ударяясь об анод, такие электроны рождаю г лучи, которые превосходят по своей проницающей способности даже гамма-лучи, образующиеся в атомах радиоактивных элементов при их распаде. Мощные советские рентгеновские аппараты превратились в приборы для получения и использования гамма-излучения.

Искусственные гамма-лучи дают возможность просвечивать слои тяжелых металлов большой толщины.