Таинственный свет: 120 лет назад был открыт рентген

Ровно 120 лет назад Вильгельм Конрад Рентген открыл знаменитые Х-лучи, они же рентгеновское излучение.

Как используется рентген в обычной жизни, а также интересные рентгеновские снимки в материале ТАСС и проекта "Чердак".

Таинственный свет

8 ноября 1895 года в лаборатории Вильгельма Конрада Рентгена, руководителя физического института Университета Вюрцбурга вечером оставался лишь сам Рентген. В лаборатории было темно. Исследователь включил катодную трубку, обклеенную со всех сторон темной бумагой – и внезапно на столе засветился экран, покрытый кристаллами цианоплатината бария. Рентген

выключили трубку – свечение исчезло. Снова включил – опять появилось. Физик сделал вывод: из трубки исходит невидимое излучение, которое, тем не менее, вызывает свечение кристаллов и, как позже выяснилось, засвечивает фотопластинку. Рентген назвал излучение Х-лучами, а позже их переименуют в рентгеновские. Исследования показали, что лучи – это электромагнитное излучение с очень большой энергией, больше, чем, например, у ультрафиолета.

Через шесть лет после открытия рентгеновское излучение принесло своему первооткрывателю первую в истории Нобелевскую премию по физике. А еще рентген радикально изменил современную науку и технику. 

Узнать, что внутри человека

Для обычного человека слово "рентген" означает не фамилию или не единицу измерения, а метод исследования. Чаще всего при такой неприятной вещи, как перелом. И действительно, с момента, когда был опубликован первый рентгеновский снимок руки с кольцом (кстати, не жены Рентгена, как многие думают, а его ассистента), именно рентгеновские лучи остаются самым надежным способом узнать, что внутри у человека. За столетие с небольшим медицинский рентген эволюционировал, стал цифровым, дозы облучения, которую получает тело человека, уменьшились, а качество изображения многократно улучшилось. Рентген - эволюционировал

Рентгеновское излучение поглощают не только кости, но и другие ткани, причем каждая по-своему. Именно на этом эффекте основан метод компьютерной томографии (КТ), за который в 1979 году Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Внутри кольца, в котором лежит пациент, вращаются источник рентгеновских лучей и приемник. Полученные данные о том, как ткани тела поглощают рентгеновские лучи, реконструируются компьютером в 3D-картинку.

Метод КТ особенно важен при инсультах –хоть он и менее точен, чем магнитно-резонансная томография головного мозга, зато КТ-диагностика гораздо быстрее. А когда нужно выяснить, какой именно инсульт произошел – геморрагический (с кровоизлиянием, и тогда пациента нужно срочно класть на стол к нейрохирургу) или ишемический (когда тромб закупоривает сосуды, и нужны разжижающие кровь препараты) – каждая минута на счету.

Найти дефекты

Рентген подходит и для просвечивания, например, металлов. На глаз невозможно определить, прочно ли сварили конструкции моста, герметичен ли шов у газопровода и плотно ли прилегают друг к другу рельсы. Чтобы выяснить это, существуют разнообразные методы дефектоскопии. Среди них почетное место занимает рентгеновская дефектоскопия, она же "радиографический контроль сварных швов". Благодаря рентгену можно увидеть дефекты, микротрещины, включение пузырьков воздуха, шлака.

Убить опухоль

Даже ультрафиолетовое излучение в больших дозах разрушает живую материю – что уж говорить о куда более высокоэнергетических рентгене или гамма-лучах. Именно из-за убийственной силы рентгена сотрудники радиологических отделений, которые делают нам рентген и компьютерную томографию, во время исследований надевают свинцовые фартуки, которые не пропускают рентгеновские лучи. Сам пациент получает небольшую дозу, с которой прекрасно справляются механизмы "починки" ДНК (за открытие которых дали нобелевскую премию 2015 года по химии), а вот сотрудники лаборатории без фартуков ежедневно получали бы большую дозу.

Но медицина придумала, как использовать эти страшные свойства рентгена во благо: жесткое излучение отлично подходит для того, чтобы убивать раковые опухоли. Конечно, у такой терапии неизбежны побочные эффекты, но, когда на одной чаше весов – вред, с которым организм может справиться, а на другой – неизбежная гибель от рака, выбор очевиден.

Вопреки распространенному мнению, самая распространенная разновидность лучевой терапии использует жесткое рентгеновское излучение, а не гамма-лучи еще более высокой энергии. Чтобы "добыть" Х-лучи, радиоактивные вещества не используются: вместо этого электроны сначала разгоняют до высоких скоростей в магнитном поле, а затем тормозят их. "Лишняя" энергия выделяется в виде рентгеновских лучей, которые и убивают опухоль.

Узнать структуру вещества

Еще один плюс рентгеновского излучения – у него очень маленькая длина волны. А значит, его можно использовать для разглядывания очень маленьких предметов. У "обычного" излучения в оптическом диапазоне длина волны намного больше, поэтому с его помощью невозможно увидеть отдельные молекулы, размер которых которые меньше этого значения. Электромагнитные волны оптического диапазона попросту не будут "замечать" эти молекулы, огибая его.

А вот рентген отлично подходит для изучения структуры очень маленьких объектов. Менее чем через 20 лет после открытия лучей, отец и сын, Уильям Генри и  Уильям Лоуренс Брэгги поняли, что, используя рентгеновское излучение, а, точнее, дифракцию рентгеновских лучей на кристалле вещества, узнать структуру кристаллической решетки. Так появился рентгеноструктурный анализ, а "семейный подряд" получил Нобелевскую премию по физике 1915 года (Брэгг-младший так и вовсе стал самым молодым естественнонаучным лауреатом премии за все времена – награда досталась ему в 25 лет!).

Позже оказалось, что таким образом можно определять и структуру белков, главное – вырастить из них кристаллы. Это процесс – настоящее искусство, и впервые его удалось осуществить британскому химику Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая в 1964 году удостоилась за свои работы Нобелевской премии по химии (всего женщины получали высшую научную награду в этой категории четыре раза).

Более того, рентген вместе с еще одним "нобелевским" изобретением наших соотечественников Александра Прохорова и Николая Басова – лазером, помог еще глубже проникнуть в структуру биологических молекул. Сейчас в Европе готовится к запуску международный проект рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL), куда уже выстроились в очередь со своими экспериментами ученые, работающие в области наук о живом. Рентгеновское лазерное излучение будет использоваться для еще более точного определения структур кристаллов биомолекул.

Узнать, что во Вселенной

Открытие Вильгельма Конрада Рентгена позволило не только узнать, как устроено вещество, но и увидеть самые загадочные  объекты во Вселенной – черные дыры.

Черная дыра поглощает все вокруг – даже свет, поэтому увидеть ее непосредственно нельзя. Падая на дыру, вещество разгоняется до огромнейших скоростей. При этом оно разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Именно поэтому "увидеть" черную дыру можно именно при помощи рентгеновских телескопов. Один из первых рентгеновских источников на небе – Лебедь Х-1 – был открыт в 1964 году, и сегодня большинство ученых уверены, что это черная дыра массой около 15 солнечных масс.

К счастью для людей, рентгеновские лучи не проникают сквозь земную атмосферу – иначе перспективы жизни на планете были бы туманными. Но из-за этой счастливой особенности рентгеновские телескопы приходится запускать в космос. Самые заслуженные – аппарат NASA Сhandra и европейский XMM-Newton трудятся на орбите до сих пор, а совсем скоро в космос должен отправиться и российско-германский телескоп "Спектр-рентген-гамма". Кроме черных дыр, такие телескопы "видят" и другие экзотические  объекты типа нейтронных звезд или квазаров (впрочем, основой квазара тоже является черная дыра в центре галактики).