Физика для всех. Книга 4. Фотоны и ядра

Первое сообщение о своем открытии Рентген отправил в журнал в конце года. За это время он сумел настолько детально изучить свойства новых лучей, что, по сути дела, до открытия дифракции рентгеновских лучей (1912 г.), о чем у нас речь впереди, ничего нового и отношении икс-лучей обнаружено не было. Название «рентгеновские лучи» принято не везде: французы, англичане и американцы удержали название, которое дал открытому им излучению сам Рентген: икс-лучи.

Наиболее замечательным свойством рентгеновских лучей, свойством, которое Рентген исследовал и проиллюстрировал в первую очередь, является их способность проходить через материалы, непрозрачные для света. (Рис. 3.1 напоминает, что такого рода изошутки появились в большом количестве спустя каких-нибудь 2–3 месяца после первых публикаций Рентгена.)

Проникающая способность рентгеновских лучей оказывает неоценимые услуги медицине. Становится также возможным обнаружение дефектов в промышленных изделиях. Поразительные результаты рентгенографии являются следствием того, что разные по плотности вещества поглощают рентгеновские лучи по-разному. Чем легче атомы вещества, тем меньше они поглощают лучи.

Довольно быстро было установлено, что проницаемость тел по отношению к лучам растет с возрастанием напряжения на трубке. Напряжения, которые обычно применяются при рентгеновских просвечиваниях, лежат в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен киловольт.

Изучив свойства рентгеновских лучей, исследователи установили, что причиной их возникновения является торможение потока электронов препятствием. Занятно, что долгое время рентгеновскую трубку изготовляли с тремя электродами. Против катода впаивался «антикатод», о который и ударялись электроны. Анод помещался сбоку. Через несколько лет сообразили, что это никчемное усложнение, и в настоящее время в трубку впаиваются два электрода. Пучок электронов тормозится анодом, поверхность которого обычно делается скошенной. В этом случае пучок рентгеновских лучей направляется в соответствующую сторону. Если поверхность анода будет, встречать пучок электронов под прямым углом, то лучи пойдут, от анода во все стороны, что приведет к потере в интенсивности.

Просвечивание рентгеновскими лучами совершило настоящую революцию в промышленности и особенно в медицине. Техника рентгеновского просвечивания в настоящее время весьма усовершенствована. Меняя расположение изучаемого объекта по отношению к рентгеновской трубке, можно получить несколько картин, с помощью которых удается не только установить расположение дефекта в проекции, но и определить глубину его залегания.

В зависимости от того, какие материалы или ткани подлежат исследованию, целесообразно применять иногда более жесткое (т. е. более проникающее), а иногда и совсем мягкое излучение. Главная задача — достигнуть контрастности: надо увидеть дефект, который даже незначительно отличается по плотности от основного материала.

Закон поглощения рентгеновских лучей, как и закон поглощения любого излучения, достаточно очевиден. Нас интересует, как изменится интенсивность луча (напомним, что интенсивность — это энергия, отнесенная к единице времени и единице площади) после прохождения пластинки толщиной d. Так как я пишу эту книгу для читателя, который не знает интегрального исчисления, то мне придется ограничиться формулировкой этого закона для прохождения лучом пластинок малой толщины. Толщина «мала» в том случае, если интенсивность падает незначительно, скажем на 1 %. Для такого примера закон прост: доля поглощенного излучения прямо пропорциональна толщине пластинки. Если интенсивность уменьшилась от значения I₀ до значения I, то это простое правило запишется так:

(I — I₀) = μ∙d

Коэффициент пропорциональности μ носит название коэффициента поглощения.

А вот простой вопрос, который я много раз задавал на экзаменах: в каких единицах измеряется, коэффициент поглощения? Сообразить нетрудно. Единицы измерения с обеих сторон равенства должны быть одинаковы. Это ведь ясно. Нельзя же сказать, что больше, 10 кг или 5 м. Сравнивать, можно килограммы с килограммами, амперы о амперами, эрга в эргами. Значит, в любом равенстве справа и слева должны стаять числа, выражаемые в одних ж тех же единицах.

Но в левой части нашего равенства записана так называемая безразмерная величина. Сказав, что доля поглощения излучения равна 1/30 или 0,08, мы этим все сказали. Единицы измерения «сократились» при делении интенсивности на интенсивность. Но если так, то и с правой стороны равенствах должна стоять безразмерная величина. Так как толщины измеряются в сантиметрах (или других единицах длины), то коэффициент поглощения выражается в обратных сантиметрах т. е. в см^-1.

Допустим, что луч проходит через пластину толщиной 10 см, терян лишь 1?% интенсивности. Левая часть равенства равна 1/100. Значит, в этом примере коэффициент поглощения равен 0,001 см^-1. А вот если лучи мягкие и теряют процент энергии, уже пройдя через фольгу толщиной в микрометр (0,0001 см), то коэффициент поглощения будет равен 100 см^-1.