Рентгеновские лучи — «1) Если пропускать разряды довольно большой катушки Румкорфа через достаточно разреженную трубку Гитторфа, Ленарда, Крукса или иной подобный прибор и покрыть трубку плотно прилегающей к ней оболочкой из тонкого черного картона, то в совершенно темной комнате можно видеть, что бумажный экран, покрытый платиново-синеродистым барием и помещенный вблизи трубки, ярко светится, флуоресцирует, при каждом разряде безразлично, обращена ли к трубке сторона экрана, покрытая солью бария, или обращена к ней противоположная сторона. Флуоресценция остается еще заметной на расстоянии 2 м от прибора. Легко убедиться в том, что причина, вызывающая флуоресценцию соли бария, заключается в разрядительном приборе, а не в каком-либо другом месте цепи.
2) В этом явлении, прежде всего, бросается в глаза то, что через футляр из черного картона, не пропускающего никаких видимых или ультрафиолетовых лучей солнечного или электрического света, проходит агент, вызывающий яркую флуоресценцию… Оказывается, что все тела прозрачны для этого агента, но прозрачны в различной степени… Бумага очень прозрачна; за переплетенной книгой в 1000 страниц экран еще заметно светится, типографская краска не представляет чувствительного препятствия. За двумя колодами карт флуоресценция видна: отдельная карта между прибором и экраном почти незаметна для глаза. Листок станиоля (тонкого олова) тоже едва приметен; только когда листки положены друг на друга в несколько слоев, на экране ясно видна их тень. Толстые куски дерева еще прозрачны; еловые доски, толщиной от 2 до 3 стм, поглощают очень мало. Слой алюминия, толщиной в 15 мм, хотя и ослаблял очень заметно действие, но тем не менее не в состоянии был вполне уничтожить флуоресценцию. Толстые доски из рогового каучука, толщиной в несколько сантиметров, еще пропускают лучи (для краткости я буду употреблять выражение лучи, а для отличия от других лучей я назову эти новые лучи Х-лучами)… Если между экраном и прибором держать руку, то на экране видна темная тень костей на фоне слабой тени руки…».
Таково содержание 1 и части 2 параграфов знаменитого мемуара Рентгена («Ueber eine neue Art von Strahlen», в «Sitzungsberichte d. Würzburger Phys.-medic. Gesellschaft», 1895), в котором этот ученый изложил свои первые опыты по исследованию открытого им 8 ноября (нового стиля) 1895 г. нового явления. Самое открытие этого явления, этих Х-лучей, ныне всеми называемых Р. лучами, было произведено Рентгеном при изучении им катодных лучей, возникающих в сильно разреженной трубке при пропускании через последнюю разрядов Румкорфовой катушки (см. Разряд). Работая с такой трубкой, закрытой черным картоном, Рентген «заметил особую черную линию поперек бумаги, покрытой платиново-синеродистым барием и лежавшей на скамейке вблизи трубки». Это явление обратило на себя внимание Рентгена. Рентген стал искать причину замеченного им факта и благодаря этому напал на след вполне нового и важного явления. Опыты Рентгена, описанные уже в первом его мемуаре, были настолько полны и обстоятельны, что дали возможность ознакомиться почти со всеми свойствами новых лучей. Дальнейшие многочисленные исследования, произведенные очень многими учеными, прибавили к тому, что было найдено самим Рентгеном, сравнительно весьма мало. Прежде всего Рентген доказал, что замеченное им явление флуоресценции соли бария обязано действительно лучам, исходящим из Круксовой трубки, т. е. что Круксова трубка при разряде через нее Румкорфовой катушки испускает особые невидимые лучи, обладающие необыкновенной способностью проникновения сквозь всевозможные тела природы. Рентген доказал, что эти лучи распространяются так же прямолинейно, как и все ранее известные лучи. Помимо своего действия на флуоресцирующий экран — эти лучи оказывают влияние на фотографические пластинки, благодаря чему появляется возможность фиксировать явления.
«Каждое важное наблюдение, которое я делал на флуоресцирующем экране, я контролировал, где только было возможно, при помощи фотографического снимка», пишет Рентген. Для получения таких снимков сухие фотографические пластинки или пленки помещаются в закрытой кассетке или, что еще лучше, в непроницаемом для света конверте. Понятно, что вследствие способности Р. лучей проходить сквозь тонкие слои дерева и бумаги — не проявленные фотографические пластинки, подвергшиеся действию лучей или еще не испытавшие этого действия, не могут быть оставляемы вблизи той Круксовой трубки, из которой исходят Р. лучи. Р. нашел, что прозрачность различных тел для новых Х-лучей обуславливается, главным образом, хотя, впрочем, не исключительно, плотностью этих тел. Чем больше плотность тела, тем вообще меньше прозрачность этого тела для Х-лучей. Однако, в некоторых случаях, кроме плотности, имеет значение еще и состав тела. Все металлы, если только они взяты в достаточно тонком слое, пропускают сквозь себя Х-лучи. Относительная прозрачность металлов уменьшается вместе с увеличением атомного веса их. Наименее прозрачными металлами являются металлы с большими атомными весами, как то: уран, платина, серебро, ртуть, свинец. Наиболее прозрачными являются те, у которых атомные веса малы, например, литий, алюминий. Соли, как в твердом виде, так и в растворах, располагаются относительно прозрачности в таком же порядке, как и металлы, которые входят в состав этих солей. Весьма прозрачны все драгоценные камни. Этим они отличаются от стекол, окрашенных и неокрашенных, которые все значительно менее прозрачны. Вследствие такого отличия драгоценных камней от стекол появляется легкий способ определять подделку камней в какой-либо вещи. Для этого достаточно только поместить испытуемую вещь на светонепроницаемый конверт с фотографической пластинкой и подвергнуть действию Р. лучей. Если все камни в этой вещи настоящие, то на фотографической пластинке не получается теней от них. Обратное будет в том случае, когда вместо настоящих камней находятся искусственные. Различные сорта стекол обладают различной прозрачностью. Стекла, содержащие в своем составе соли свинца (флинтглас), наименее прозрачны. Кроме прямолинейного распространения Р. лучи не имеют почти ничего общего, по крайней мере как это показал сам Р. и как это было подтверждено очень многими экспериментаторами впоследствии, с другими известными нам лучами. Р. лучи не обладают способностью отражаться, преломляться, интерферировать; они не испытывают дифракции, не подвергаются двойному преломлению и не могут быть поляризованы. Наблюдавшиеся в некоторых случаях явления рассеяния Х-лучей телами, на которые они падают, по всей вероятности, не представляют собой действительного диффузного отражения этих лучей, а объясняются тем, что в данном случае из поверхности таких тел начинают испускаться новые лучи, по своему характеру подобные Р. лучам падающим на тела, т. е., что при этом происходит явление, до некоторой степени подобное явлению флуоресценции по отношению к свету, вызывающему последнюю. Р. лучи не испытывают действия магнита и этим они существенно отличаются от катодных лучей. Последние, т. е. катодные лучи, изгибаются от действия подносимого к трубке магнита, совершенно подобно тому, как это будет с гибким проводником, по которому проходит ток. На фиг. 1 изображена Круксова трубка, в которой образующиеся на катоде a катодные лучи, проходя сквозь узкую щель e, сделанную в металлической пластинке, которая помещена внутри трубки, поперек ее, скользят параллельно ef в виде узкого прямолинейного пучка вдоль слюдяной пластинки, покрытой фосфоресцирующим веществом.
Пучок катодных лучей вызывает на этой пластинке появление светящейся узкой полоски. Когда около трубки помещается магнит, катодные лучи изменяют свое направление, они искривляются, вследствие чего и светящаяся полоска изгибается и принимает вид полоски eg, как это показано на фигуре. Катодные лучи, как это показал Ленард, могут быть выпущены из Круксовой трубки наружу. Для этого необходимо, чтобы катодные лучи в Круксовой трубке падали на очень тонкий листок алюминия, закрывающий собой отверстие в стенке этой трубки. Такой тонкий листок алюминия в состоянии удерживать весьма сильное разрежение в трубке и в то же время он является прозрачным, как это впервые показал Герц, для катодных лучей. Фиг. 2 представляет схематический разрез трубки, устроенной для своих опытов Ленардом.
T — разрез самой трубки, F — окно в этой трубке, прикрытое алюминиевым листком, имеющим толщину около 0,0025 мм. Цилиндр A служит анодом, диск C — катодом; EE — представляет разрез металлического ящика, соединенного с землей и окружающего собой трубку T. Выпущенные в обыкновенный воздух катодные лучи, или лучше, Ленардовские лучи, вызывают флуоресценцию и действуют на фотографические пластинки подобно лучам Рентгена. Но они весьма существенно отличаются от последних. Ленардовские лучи проникают сквозь все тела хуже, чем Р. лучи, т. е. все тела природы являются менее прозрачными для Ленардовских лучей, чем для Р. Даже воздух сравнительно слабо прозрачен для Ленардовских лучей. Он рассеивает эти лучи, т. е. по отношению к Ленардовским лучам воздух является как бы мутной средой. Особенно большая разница между обоими этими классами лучей, т. е. между лучами Р. и Ленарда, заключается в том, что Р. лучи, как уже было сказано, не испытывают действия магнита, между тем как Ленардовские лучи подчиняются влиянию последнего совершенно подобно катодным лучам внутри Круксовой трубки.
В высшей степени интересно свойство рентгеновских лучей, при своем прохождении сквозь какой-либо газ, сообщать этому газу способность проводить электричество. Еще сам Рентген заметил, что падение открытых им лучей на наэлектризованное тело вызывает быструю потерю заряда этого тела; но это наблюдение Рентген не опубликовал. Первый, кто сообщил об этом явлении, был Дж. Дж. Томсон. Дальнейшие исследования действия лучей Рентгена на заряд тел привели окончательно к заключению, что это действие зависит от изменения свойства газа, который окружает собой испытуемое наэлектризованное тело. Будучи совершенным изолятором при обыкновенных условиях, всякий газ становится при прохождении сквозь него Р. лучей телом, способным проводить электричество, а следовательно, помещенное в такой газ наэлектризованное тело должно терять присущее ему электричество. Знак электричества, находящегося на испытуемом теле, не играет при этом существенной роли, т. е. при одинаковых прочих условиях и положительное, и отрицательное электричество исчезают с тела. Если и наблюдается некоторая, весьма небольшая, разница для обоих электричеств, то эта разница проявляется лишь в скорости, с какой разряжается тело, когда оно было наэлектризовано положительно и когда оно было наэлектризовано отрицательно. Так, например, по наблюдениям Рутерфорда цинк и олово быстрее теряют отрицательное электричество, чем положительное; медь теряет и то, и другое электричество почти одинаково быстро. Газ, сквозь который проходят Р. лучи, сохраняет свойство проводить электричество еще некоторое время и после прекращения прохождения сквозь него этих лучей, он только асимптотически приближается к своему первоначальному состоянию совершенного изолятора. По всей вероятности, под влиянием Р. лучей, происходит распадение молекул газа на отдельные ионы, заряженные положительно и отрицательно, вследствие чего сделавшиеся свободными ионы, содержащие в себе электричество, по знаку противоположное тому, которое находится на теле, помещенном в газе, притягиваются телом и нейтрализуют своими зарядами заряд самого тела.
До настоящего времени (февраль 1899 г.) не было обнаружено влияния электрического поля на Р. лучи, т. е. не было замечено отклонения последних каким-либо наэлектризованным телом. Это опять-таки является отличием Р. лучей от лучей катодных, которые чувствуют весьма заметно влияние электрического поля. Катодные лучи отталкиваются телом, наэлектризованным отрицательно, и притягиваются телом, наэлектризованным положительно.
Еще сам Рентген заметил, что открытые им Х-лучи исходят исключительно только из тех частей поверхности разреженной трубки, на которые падают катодные лучи. Дальнейшие исследования вполне подтвердили наблюдения Рентгена, но вместе с тем показали, что Р. лучи возникают не только в стекле, когда на это стекло попадают катодные лучи, но и в других твердых телах, подверженных действию катодных лучей. При этом обнаружилось, что особенно сильно возбуждаются Р. лучи в том случае, когда катодные лучи падают на находящиеся внутри Круксовой трубки пластинки из платины или из урана. Вследствие этого для получения интенсивных Р. лучей стали устраивать трубки, в которых катодом служит небольшой алюминиевый диск, плоский или слегка вогнутый, а против этого диска помещается внутри трубки небольшая платиновая пластинка (антикатод) и помещается так, что ось диска составляет с плоскостью этой пластинки угол, равный 45°. Расположение анода в трубке может быть какое угодно. Платиновая пластинка (антикатод) в такой трубке и является «фокусом», из которого исходят Р. лучи.
Опыты показали, что в данном случае Р. лучи распространяются от пластинки-антикатода в ту сторону, с которой на эту пластинку падают катодные лучи, причем интенсивность лучей получается почти одинаковая для всех направлений, составляющих с нормалью к пластинке углы не более 80°. Самое сильное влияние на интенсивность и даже на характер Р. лучей оказывает степень разрежения воздуха внутри Круксовой трубки. Опыты Рентгена показали, что по мере увеличения разрежения (эвакуации) газа внутри трубки, а следовательно, по мере увеличения сопротивления этой трубки, вызывающего увеличение той разности потенциалов на электродах трубки, при которой происходит разряд Румкорфовой катушки, усиливается в Х-лучах, исходящих из этой трубки, способность проникать сквозь твердые тела. Таким образом, смотря по «жесткости» Круксовой трубки, т. е. смотря по сопротивлению ее, получаются из трубки Р. лучи различных качеств. Мягкие Круксовы трубки, т. е. трубки, не особенно сильно эвакуированные, испускают лучи, которые заметно задерживаются даже тканями животных или растений, а потому при помощи таких трубок появляется возможность получать на флуоресцирующем экране или на фотографической пластинке тени от этих тканей даже с деталями строения последних.
Очень жесткие трубки, через которые происходит разряд только от такой Румкорфовой катушки, которая в состоянии образовать в воздухе искру, не менее 20 стм длиной, испускают лучи, проникающие сквозь толстые железные пластины. При помощи таких трубок Рентгену удалось получить на фотографической пластинке изображение патронов с дробью, находившихся в стволах охотничьего ружья, причем, кроме изображения патронов, обрисовались на пластинке все неправильности в строении дамасской стали стволов. Степень разрежения газа в Круксовой трубке имеет большое влияние на продолжительность экспозиции, необходимой для получения фотографических изображений, даваемых Р. лучами. Чем сильнее эвакуирована трубка, тем менее продолжительна должна быть экспозиция. При употреблении хорошо эвакуированных трубок, снабженных антикатодной пластинкой, продолжительность экспозиции для получения изображений не очень сильно поглощающих лучи тел может ограничиваться несколькими секундами. Понятно, что чем плотнее и толще слой, который должен пронизываться лучами, тем дольше должна быть и экспозиция.
Р. лучи получаются не только тогда, когда сквозь Круксову трубку происходит разряд Румкорфовой катушки, но и в том случае, когда Круксова трубка соединяется с кондукторами большой электрической машины, например, с кондукторами многодисковой машины Фосса. При употреблении Румкорфовой катушки для возбуждения Р. лучей необходимо обращать внимание на правильность действия прерывателя тока в катушке. Чем быстрее прерывается ток в катушке, тем интенсивнее получаются Р. лучи. Для увеличения интенсивности лучей может служить введение в цепь Круксовой трубки разрыва, т. е. помещение между Круксовой трубкой и Румкорфовой катушкой двух шариков, между которыми должны проскакивать искры. Схема такого соединения показана на фиг. 4.
Относительно природы Р. лучей до сих пор ничего неизвестно. Было высказано предположение, что Р. лучи представляют собой продольные колебания эфира. Эту идею разделял сам Рентген. Однако, никаких данных, подтверждающих такую гипотезу, не имеется. Равным образом и другая гипотеза, по которой эти лучи рассматриваются как распространение поперечных колебаний эфира, совершенно подобных колебаниям эфира в обыкновенном свете, но лишь отличающихся необыкновенно малыми длинами волн, не может быть ничем доказана. Была предложена, наконец, еще одна гипотеза, по которой Р. лучи рассматриваются как непрерывно следующие друг за другом особые электромагнитные возмущения, имеющие характер импульсов и возникающие вследствие весьма быстро происходящей потери скорости отрицательно наэлектризованными частицами, когда эти частицы в потоке катодных лучей встречают стенку Круксовой трубки или поверхность антикатодной пластинки.