Рентгеновы лучи

Рентгеновы лучи. Рентгеновы лучи, открытые в 1895 г. Рентгеном (см.), по своей природе ничем не отличаются от лучей видимого света (см. свет, XXXVII, 529/65). Они представляют собой электромагнитные волны, длина которых, приблизительно, в 10 тысяч раз короче, чем  длина световых волн (см. XLI, ч. 4, 41/43). Этим чисто количественным различием объясняются и все разнообразные свойства Рентгеновых лучей, отличающие их от лучей видимых.

Получение. Рентгеновы лучи получаются при падении катодных лучей (см.) большой скорости на какое-либо материальное тело. Для того, чтобы при этом получились именно Рентгеновы лучи, катодные лучи должны обладать значь тельной энергией, которую они могут приобрести, проходя падение потенциала в несколько десятков или даже сотен тысяч вольт (см. XLI, ч. 4, 07/68). Медленные катодные лучи, энергия которых соответствует нескольким вольтам или десяткам вольт, падая на материальное тело, вызывают излучение видимого или ультрафиолетового света. Практически получение Рентгеновых лучей осуществляется в специальных рентгеновских трубках. Последние представляют собой специально приспособленные разрядные (с разреженным газом) трубки (см. XXXV, 514/15), по возможности сильно эвакуированные (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Газовая рентгеновская трубка с осмотическим регулированием.

а — анод; к — катод (оба из алюминия); aк — антикатод (из платины или иридия, вольфрама или молибдена); о — палладиевая трубочка для осмотического регулирования давления газа (водород диффундирует через накаленный палладий).

Рис. 2. Трубка Мюллера с водяным охлаждением антикатода.

В новейших  рентгеновских трубках системы Кулиджа (рис. 3) и др. источником электронов служит калящийся катод — проволочная спираль, нагреваемая специальным вспомогательным током (как известно, раскаленный металл испускает электроны); вырывающиеся из катода электроны подхватываются электрическим полем и разгоняются до требуемой скорости. При разности потенциалов в несколько сотен тысяч вольт эта скорость приближается к скорости света. Обычно, впрочем, довольствуются гораздо меньшими скоростями. Против катода помещается металлическая пластинка, на которой концентрируется пучок электронов и которая служит источником Рентгеновых лучей. Эта пластинка называется антикатодом.

Характер Рентгеновых лучей, испускаемых антикатодом, зависит отчасти от природы образующего его вещества, отчасти от энергии бомбардирующих его катодных лучей. Чем больше энергия последних, тем, вообще говоря, «жестче» Рентгеновы лучи, т. е., тем больше способность их к проникновению через материальные тела. Жесткость Рентгеновых лучей определяется их длиной волны или частотой колебаний: чем больше частота колебаний, чем больше жесткость, — тем больше толща материи, через которую Рентгеновы лучи могут проникнуть. Максимальная частота Рентгеновых лучей оказывается прямо пропорциональна энергии отдельных электронов в пучке катодных лучей: она равна этой энергии, деленной на так называемую постоянную Планка (см. излучение, XXII, 485). Общая энергия Рентгеновых лучей составляет обыкновенно лишь небольшую долю, около нескольких десятитысячных общей энергии катодных лучей.

Рис. 3. Трубка Кулиджа.

А — тяжелый вольфрамовый антикатод; В — вольфрамовая спираль; С — провода для накала спирали.

Действия Рентгеновых лучей и их обнаружение. Рентгеновы лучи обнаруживаются разными способами, которые сводятся, в конце концов, к одному основному их свойству, именно — к свойству вырывать электроны из атомов материального тела, на которое они падают или через которое они проходят. Эти электроны в том случае, если они испускаются твердым телом, образуют, так называемые вторичные катодные лучи, весьма близкие по своим скоростям к первичным катодным лучам, возбуждающим Рентгеновы лучи. При прохождении Рентгеновых лучей через газы, последние ионизируются, т. е., другими словами, молекулы и атомы их расщепляются на электроны и положительные ионы. В присутствии электрического поля эти наэлектризованные частицы движутся в противоположные стороны, образуя электрический ток. Таким образом, Рентгеновы лучи при прохождении через газы сообщают им электропроводимость, т. е. способность пропускать электрический ток. Наличие этой электропроводимости является признаком присутствия Рентгеновых лучей, причем величина электропроводимости может служить мерой их интенсивности. К ионизационному эффекту сводятся и те химические действия, которые Рентгеновы лучи производят на фотографическую пластинку, служащую обычно наиболее простым средством для их обнаружения. Аналогичным образом объясняются и другие действия Рентгеновых лучей, например флуоресценция, вызываемая ими при падении на экран из платиносинеродистого бария (см. XXVII, 537) и т. п. Первичным эффектом во всех этих случаях является вырывание электронов из отдельных атомов. Как уже упоминалось выше, максимальная скорость подобных электронов приблизительно совпадает с максимальной скоростью тех первичных электронов, которыми Рентгеновы лучи вызываются.

Отражение и преломление Рентгеновых лучей. При обычных условиях Рентгеновы лучи, в отличие от лучей видимого света, не обнаруживают отражения или преломления. Это обстоятельство объясняется тем, что длина волны их мала по сравнению с размерами тех неправильностей (шероховатостей), которые встречаются на поверхности обыкновенных тел. Вместо правильного отражения при таких условиях получается неправильное, «диффузное» рассеяние лучей по всем направлениям. Как известно, даже тела с шероховатой поверхностью приобретают способность довольно хорошо отражать видимый свет при наклонном падении лучей. Если пучок Рентгеновых лучей падает на поверхность обыкновенного тела под углом в несколько минут, то и в этом случае, как показали новейшие исследования, можно получить правильное отражение. При таких условиях наблюдается и преломление Рентгеновых лучей при переходе из одного тела в другое. Коэффициент преломления различных тел оказывается при этом несколько меньше единицы, в противоположность тому, что имеет место для видимого света.

Однако, в наиболее очевидной форме явление отражения Рентгеновых лучей наблюдается при падении их на поверхность кристаллов (см. кристаллическая структура, XXV, 589/92). При этом отражение получается не при любом угле падения, но лишь при ряде вполне определенных значений угла падения, зависящих от расстояния между соседними параллельными слоями атомов в кристалле. Эти слои действуют как идеальные зеркала. Так как, однако, лучи, отлаженные от различных параллельных зеркал, имеют разные фазы, то, складываясь друг с другом, они могут не только взаимно усиливаться, но и взаимно ослабляться. Для того, чтобы имело место усиление лучей, отразившихся от равноотстоящих параллельных кристаллических плоскостей, нужно, чтобы разность хода лучей, отраженных от соседних зеркальных плоскостей, равнялась длине волны или целому кратному ее. Длина волны Рентгеновых лучей близка к величине междуатомных расстояний в твердых телах. Таким образом, предыдущее условие может быть выполнено для ряда определенных углов падения. При этом получается явление так называемого селективного отражения, впервые изученное Браггами (Bragg, см. XLVIII, приложение современные деятели науки, 14). Кристаллы могут быть подразделены на параллельные зеркальные плоскости весьма большим числом различных способов. Далее, для отражения Рентгеновых лучей от той или иной системы подобных плоскостей отнюдь не требуется, чтобы наружная поверхность кристалла совпадала с одной из них. Поэтому при прохождении Рентгеновых лучей через кристалл наблюдается, наряду с проходящим пучком, целый ряд селективно отраженных или рассеянных кусков, образующих с ним вполне определенные углы, зависящие от длины волны Рентгеновых лучей и от структуры кристалла. В этом случае обычно говорят не об отражении Рентгеновых лучей, а об интерференции или дифракции их. Явление дифракции Рентгеновых лучей было впервые открыто М. Лауэ (см. XLVIII, приложение современные деятели науки, 15) в 1913 г. и явилось новой эрой, как в изучении Рентгеновых лучей, так и в изучении строения материи. Заметим, что до этого открытия волновая природа Рентгеновых лучей, их принципиальная тождественность с видимым светом, хотя и предполагалась, но не могла считаться доказанной. Значительно позднее удалось осуществить дифракцию Рентгеновых лучей от обычной оптической дифракционной решетки (см. XXXVII, 560) при чрезвычайно наклонном (почти скользящем) падении, причем эти опыты подтвердили результаты, полученные путей изучения Рентгеновых лучей от кристаллов.

Рис. 4. Рентгеновский спектр трубки Кулиджа с вольфрамовым антикатодом.

Спектроскопия Рентгеновых лучей. Кристаллы являются по отношению к Рентгеновым лучам своего рода естественными дифракционными решетками. Это соответствие их друг другу обусловливается, как уже упоминалось выше, приблизительным совпадением длины волны Рентгеновых лучей с междуатомными расстояниями в твердых телах. Систематическое исследование спектра Рентгеновых лучей, испускаемых различными антикатодами при различной энергии бомбардирующих их электронов, привело к следующим результатам. Рентгеновское излучение (рис. А) состоит, вообще говоря, из двух частей, а именно: из лучей всевозможных длин волн, вплоть до некоторой предельной минимальной длины волны, определяемой энергией катодных лучей и не зависящей от природы катода, и из ряда отдельных монохроматических лучей, или «линий», характерных для вещества антикатода. Лучи первого рода образуют так называемое непрерывное рентгеновское излучение, или непрерывный рентгеновский спектр. Это непрерывное излучение обусловливается непосредственно первичными электронами, являясь результатом того торможения, которое они испытывают при своем внедрении в антикатод. Лучи второго рода называются характеристическими; они испускаются не первичными электронами, но электронами, заключенными в атомах вещества, образующего антикатод (см. спектральный анализ, XLI, ч. 4, 68/70).

С точки зрения классического представления об электромагнитном излучении, процесс испускания характеристических лучей можно было бы сравнить с процессом звучания струны, приводимой в колебание исходящими извне толчками. Однако, именно к Рентгеновым лучам классическое представление о свете оказывается наименее применимым, и гораздо более плодотворные результаты дает применение к этому процессу квантовых представлений о свете (см. ниже). Характеристические лучи подразделяются на несколько серий; из них наиболее жесткой называется серия К, следующие серии L, М, N и т. д. Как показал в 1914 г. Мозли (см. ХLVІII, приложение современные деятели науки, 18), максимальная частота колебаний, которая встречается в спектре характеристических лучей (именно у одной из линий серии К), систематически возрастает в ряду химических элементов, примерно, пропорционально квадрату атомного веса. Более тщательное исследование этой зависимости показало, что частота характеристических лучей определяется не весом атома, а так называемым номером его, т. е. зарядом положительного ядра атома или числом обращающихся вокруг его «планетных» электронов (см. XLI, ч. 4, 69). Как известно, электроны эти располагаются вокруг ядра в виде ряда отдельных групп или «этажей» (см. электронная теория и ХLI, ч. 4, 70 сл.). Деление характеристических Рентгеновых лучей на серии вполне соответствует этому делению внеядерных электронов на группы; именно, серия К соответствует внутренней электронной группе, ближайшей к атому, серия L — следующей электронной группе, и т. д. У легких атомов число подобных групп равно 2-3-м, а у более тяжелых оно достигает 6 или 7-ми.

В случае видимых лучей линейчатый спектр испускания наблюдается только у газов. У твердых и жидких тел видимое излучение дает обычно сплошной спектр. То обстоятельство, что в случае Рентгеновых лучей линейчатый спектр получается как в жидком, так и в твердом состоянии, вытекает из внутреннего положения электронов, обусловливающих эти лучи. Для этих внутренних электронов взаимодействие между атомами не играет никакой роли.

Далее, в случае газообразных тел наблюдается полное совпадение между спектрами испускания и спектрами поглощения видимого света. Другими словами, каждый газ в наибольшей степени поглощает те самые лучи, которые при надлежащих условиях им могут испускаться. Если, следовательно, пропускать через холодный газ видимые лучи, обладающие сплошным спектром, то в этом спектре появляются темные линии, совпадающие со спектральными линиями, которые испускались бы данным газом при надлежащих условиях (высокой температуре или электронной бомбардировке). Иначе обстоит дело в случае Рентгеновых лучей. При прохождении через данное тело Рентгеновы лучи с непрерывным спектром линий поглощения не наблюдается вовсе; вместо них получаются  так называемые полосы поглощения, начинающиеся от определенных минимальных частот и продолжающиеся непрерывным образом с постепенным уменьшением интенсивности в сторону больших частот (т. е. более коротких волн). Таким образом, наиболее резко запечатлевается край каждой полосы поглощения. Число подобных полос поглощения совпадает с числом серий в спектре испускания соответствующего элемента, так что каждая серия испускания соответствует в некотором смысле определенной полосе поглощения. Впрочем, соответствие между спектрами поглощения и испускания Рентгеновых лучей оказывается, при ближайшем исследовании, более сложным; а именно, частота линий каждой серии испускания оказывается равной разности между частотой границы соответствующей полосы поглощения и границ других полос поглощения с меньшими частотами. Так, например, частота различных линий серии К равна разности между частотой границы полосы поглощения К и граничными частотами полос поглощения L, М, N и т. д.

Эти особенности характеристических рентгеновских спектров исчерпывающим образом объясняются квантовой теорией их образования. С точки зрения этой теории основной причиной испускания Рентгеновых лучей какой-либо серии (например серии К) является вырывание одного из электронов из соответствующей ей группы (в данном случае самой внутренней, К-группы). Остающееся свободное место занимается вскоре каким-нибудь электроном одной из более внешних групп. Перескакивая из своего места в одном из верхних этажей атома на освободившееся место в нижнем этаже, электрон теряет определенную энергию, которая испускается в виде характеристических Рентгеновых лучей. Частота последних равна при этом, согласно основному закону Планка (см. XXI, 484/86), теряемой энергии, деленной на Планковскую постоянную. Что касается процесса вырывания электронов из атома, то он может обусловливаться разными причинами,— или ударом первичного электрона, или же действием Рентгеновы лучи, испускаемых каким-либо внешним источником. В первом случае необходимо, чтобы энергия ударяющего электрона была, по крайней мере, равна энергии, требуемой для удаления данного связанного электрона за пределы атома. Во втором случае вместо энергии первичного электрона можно говорить об энергии кванта первичных Рентгеновых лучей, измеряемой произведением частоты колебаний на Планковскую постоянную. В том случае, когда испускание характеристических лучей происходит под влиянием электронной бомбардировки, каждая серия появляется лишь тогда, когда энергия первичных электронов превышает энергию, необходимую для вырывания электрона из соответствующей группы. В случае, если это вырывание обусловливается другими (первичными) Рентгеновыми лучами, частота их колебаний должна превысить частоту всех характеристических лучей данной серии (см. спектральный анализ, XLI, ч. 4, 82/86). Испускание характеристических лучей под действием первичных Рентгеновых лучей иной (более высокой) частоты, называется флуоресценцией, а само характеристическое излучение называется часто в этом случае флуоресцирующим. То обстоятельство, что при поглощении первичных лучей не получается линий поглощения, объясняется отсутствием свободных мест в верхних этажах атома. При таких условиях электрон из внутренней группы должен быть удален за пределы атома, что сопровождается поглощением первичных Рентгеновых лучей; испускание же вторичных или характеристических лучей происходит, как указывалось выше, путем замощения удаленного электрона одним из электронов какой-либо более внешней группы.

Подобно тому, как спектральный анализ в области видимых лучей явился мощным средством химического анализа, так же точно и рентгеновский анализ, анализ рентгеновских спектров, дает возможность судить о химической природе атомов, дающих этот спектр. В последнем случае связь между спектром и химической природой еще проще, чем в случае видимых лучей, так как, в противоположность оптическому спектру, рентгеновский спектр слагается из сравнительно небольшого числа линий (в испускании) или полос (в поглощении). В последнее время рентгеновский анализ уже привел к открытию одного из элементов (гафния), остававшегося доселе неизвестным. Преимущество рентгеновского анализа, как метода химического исследования, перед обыкновенным спектральным анализом заключается еще в том, что в случае видимых лучей линейчатый спектр получается лишь в газообразном состоянии исследуемых веществ, тогда как в случае Рентгеновых лучей агрегатное состояние материи не играет никакой роли.

Рентгенографическое исследование материи. Явление отражения Рентгеновых лучей кристаллами открывает перед физикой две разные области исследования. Одна из них заключается в исследовании Рентгеновых лучей, о чем мы говорили выше; другая — в исследовании структуры самих кристаллов. Зная длину волн Рентгеновых лучей, можно определить расстояние между различными системами зеркальных атомных плоскостей, на которые можно разложить данный кристалл, и таким образом установить форму и размеры элементарной ячейки кристалла. Для этого достаточно измерить угол между первичными Рентгеновыми лучами и вторичными, селективно рассеянными и отраженными лучами. Измерение интенсивности последних дает возможность установить до некоторой степени и более тонкую структуру кристалла, а именно, строение его элементарной ячейки, т. е. число, относительное расположение и некоторые внутренние свойства образующих ее атомов. Со времени открытия Лауэ в 1913 г. эта область физики, т. е. область рентгенографического исследования кристаллов, достигла громадного развития, причем удалось детально определить внутреннюю структуру множества кристаллов различных веществ, от самых простых (металлов) и вплоть до чрезвычайно сложных органических соединений. Одним из первых достижений в этой области явилось установление того факта, что в кристаллах простейших химических соединений, вроде, например, поваренной соли (NaCl), мы не имеем отдельных молекул, но что весь кристалл представляет собой как бы одну гигантскую молекулу, образованную правильно расположенными атомами. Так, например, в кристалле поваренной соли каждый атом натрия окружен 6-ю атомами хлора, и наоборот. Эти атомы располагаются в шахматном порядке, отнюдь не образуя отдельных пар, вроде молекул NaCl, как это склонны были себе представлять раньше (см. XXV, 589/92). Далее, рентгенографический анализ солеобразных кристаллов этого типа показал, что они образованы не нейтральными атомами, а противоположно заряженными ионами, например положительными ионами Na и отрицательными ионами Сl в случае поваренной соли. Это обстоятельство предполагалось и раньше; однако, впервые оно было доказано именно при помощи Рентгеновых лучей.

Рис. 5. Рентгенограмма кристаллов цинковой обманки, при пропускании лучей, параллельных ребру куба, по методу Лауэ.

При рентгенографическом исследовании кристалла применяются различные методы. Один из них (метод Лауэ) заключается в пропускании пучка неоднородных Рентгеновых лучей (с сплошным спектром) через отдельный кристалл исследуемого вещества; при этом лучи каждой длины волны отражаются от определенной системы плоскостей, для которых выполняется условие усиления лучей, отражаемых соседними плоскостями. В результате на фотографической пластинке вокруг центрального пятна, обусловленного первичным пучком Рентгеновых лучей, получается система симметрично расположенных пятнышек, характеризующих симметрию рассматриваемого кристалла (рис. 5). Второй метод (Брагга) заключается в отражении монохроматических Рентгеновых лучей определенной длины волны от одной какой-либо системы кристаллических плоскостей, обычно параллельных наружной поверхности кристалла (см. XXV, 619/20, приложение 10). Этот метод применим в том случае, когда исследуемое вещество встречается в виде монокристалла достаточно большого размера. Весьма удобен и распространен, особенно в металлографии, так называемый метод порошков, предложенный Дебаем (Debye) и Шеррером (Scherrer). Он заключается в пропускании монохроматических Рентгеновых лучей через конгломерат микроскопических кристалликов, ориентированных совершенно беспорядочно. При этом рассеянные Рентгеновы лучи образуют ряд конусов, составляющих определенные углы с первичным пучком и запечатлевающихся на фотографической пластинке, перпендикулярной к последнему, в виде ряда концентрических кругов. По радиусам этих кругов, т. е. величине углов рассеяния, можно непосредственно вычислить расстояние между соответствующими зеркальными плоскостями, которые производят отражение. Вместе с тем по ширине этих кругов можно судить о размере отдельных кристалликов: чем меньше последние, тем шире соответствующие круги, т. е. тем менее резок максимум интенсивности в рассеянных пучках. Метод Дебая применим как к веществам, приведенным искусственным образом в размельченное порошкообразное состояние, так и к громадному количеству веществ, которые в естественных условиях образуют конгломерат беспорядочно ориентированных кристалликов. Сюда относятся, в частности, все металлы, которые лишь с большим трудом могут быть получены в виде более или менее значительных монокристаллов.

Наряду с исследованием нормальной структуры, как монокристаллов, так и мелких кристаллических агрегатов, оказывается возможным при помощи рентгенографического анализа проследить те изменения, которые вызываются в этих веществах той или иной механической или тепловой обработкой. Так, например, оказывается, что при прокатке (вальцовке) металлического листа или протягивании металлической проволоки образующие их микроскопические кристаллики ориентируются более или менее правильным образом по отношению к направлению применяемого механического усилия. Далее, оказывается возможным установить разрушения, которые происходят в монокристаллах при пластической деформации и которые остаются совершенно незаметными при внешнем обследовании кристалла. При помощи Рентгеновых лучей можно установить и изменение, происходящее при переходе металла из одной аллотропической модификации в другую. Так, например, в металлургии давно различали три разных модификации железа (α, β, γ). Рентгенографический анализ показал, что первая из этих модификаций соответствует структуре решетки куба с центрированными гранями, а вторая — решетке объемно центрированного куба, в то время как переход из α в βмодификацию никаким структурным изменением не сопровождается. Сталь, как известно, представляет собой твердый раствор углерода в железе. Особенности этого раствора в смысле искажения, производимого атомами углерода на решетку железа, оказывается возможным полностью проследить при помощи Рентгеновых лучей, объяснив, таким образом, физическую сущность процесса закалки стали (см. сталь, XLI, ч. 4, 319/20, приложение 13 сл.). Наконец, помимо этих тонких особенностей структуры тел, выявляемых Рентгеновыми лучами, последние оказывается возможным применять к исследованию более грубого строения их, в частности к выявлению различных дефектов, имеющихся в различных металлических отливках (рис. 6). Наличие в подобных отливках местных пустот или осадочных раковин легко обнаруживается Рентгеновыми лучами. Принимая во внимание, что механическая прочность стальных изделий значительно понижается под влиянием подобного рода дефекта, легко понять то значение, которое приобретает рентгенографический анализ, как способ установления невидимого с внешней стороны брака на металлических заводах.

Рис. 6. Рентгенограмма, показывающая дефект кислородно-ацетиленовой сварки стальной пластинки.

О применении Рентгеновых лучей в медицине см. рентгенодиагностика и рентгенотерапия.

Литература: W. & L. Bragg, «Х-rays and Crystal Structure», London, 5-th. ed., 1925 (русский перевод Вульфа с 1 изд. — В. и Л. Брэгг, «Рентгеновы лучи и строение кристаллов», 1916): W. Н. Bragg, «Аn Introduction to Crystal Analysis», 1928, русский перевод, 1929; Кэй, «Рентгеновы лучи», перевод Шпольского, 1928; Я. Френкель, «Строение материи», 2-я ч. (сочленение мат.), 1924; Сlocker, «Materialprüfung mit Röntgenstrahlen», 1927; А. Dauvillier, «La technique des rayons Х», Paris, 1924; М. Siegbahn, «Spektroskopie der Röntgenstrahien», Berlin, 1924; G. Clark, «Applied Х-Rays», New-York, 1927.

Я. Френкель.