В. К. Рентген — гений простоты и точности эксперимента

26.09.2022
168

Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) — выдающийся немецкий физик, внесший вклад в электродинамику и оптику. Главным его научным открытием стало обнаружение в 1895 г. Х-лучей, вошедших в историю науки и общества под названием «рентгеновские лучи». Это открытие было отмечено в 1901 г. первой в мире Нобелевской премией по физике.

Роберт Щербаков,
доктор педагогических наук

В середине 90-х годов XIX в. ушли из жизни корифеи науки: только в 1894 г. в январе сошел в могилу Г. Р. Герц, в мае — А. А. Э. Э. Кундт, а в сентябре — Г. Л. Ф. фон Гельмгольц. Можно сказать, что тогда же практически завершилась и сама классическая физика с ее привычной методикой исследований, поставленными простыми экспериментами и основанными на них теоретическими выводами о законах, управляющих природой. И вряд ли кто из ученых предполагал, что кому-то повезет своими открытиями начать новую эпоху в науке. Тем не менее в конце 1895 г. В. К. Рентген обнаружил Х-лучи, в 1896 г. А. А. Беккерель — радиоактивность, в 1897 г. Дж. Дж. Томсон подтвердил существование электрона, а в 1900 г. М. Планк ввел понятие «кванта действия», или постоянной Планка. Возникло предчувствие рождения неклассической физики.

В. К. Рентген, вероятно 1890 г. (портрет № 04693 из архива фотодокументов ETH библиотеки в Цюрихе, Швейцария)

По существу, все началось с Рентгена. Взрыв эмоций после его открытия (как среди ученых, так и в обществе в целом) породил необычайный интерес к Х-лучам и к личности ученого. Восхищение величайшим открытием сопровождалось, как всегда, разного рода сомнениями относительно его авторства. Что неудивительно, ибо всякая слава никогда не обходится без мелочной и болезненной суеты вокруг творца.

Главное же было в том, что и Рентген, и Беккерель обратили пристальное внимание ученых на ранее запретные для познания объекты — на электронные оболочки атомов, а затем и на процессы внутри атомных ядер. Благодаря именно этим работам наиболее одаренные исследователи направили все силы на разгадку тайн этих областей материального мира. В этом-то и состоит их величайшая заслуга перед наукой и обществом.

От инженерного образования к физике эксперимента

Дом, в котором родился В. Рентген. Экспонат с выставки в память о Рентгене, проходившей в Вюрцбурге

Предшественник физической науки ХХ в. Вильгельм Конрад Рентген родился 27 марта 1845 г. под Дюссельдорфом, в вестфальском городе Леннепе (ныне Ремшайд), и был единственным ребенком в семье. Его отец был купцом и производителем одежды. Так как мать была родом из Амстердама, спустя три года после рождения Вильгельма семья переехала в Апелдорн (Нидерланды).

Первое образование Вильгельм получил в частной школе М. фон Дорна, а затем продолжил учебу в Утрехтской технической. В 1865 г. пытался поступить в Утрехтский университет, хотя по правилам этого университета он не мог быть его студентом. Он сдал экзамены в Федеральный политехнический институт Цюриха и стал студентом отделения механической инженерии. По его окончании в 1869 г. Рентген, защитив диссертацию по теме «Изучение газов» (так и не опубликованную), получил степень доктора философии.

В Цюрихе учителями В. Рентгена были математик Э. Б. Кристофель (его исследования сыграли свою роль в становлении общей теории относительности) и великий термодинамик Р. Ю. Э. Клаузиус (один из создателей термодинамики и кинетической теории газов). Но они лишь отчасти повлияли на избрание Рентгеном именно экспериментальной деятельности в области физики.

Имея на руках диплом инженера, В. Рентген не сразу определился в выборе профессии. К его счастью, он стал работать в лаборатории А. Кундта*, профессора того же политехникума, посоветовавшего ему попробовать себя в физике. А когда Рентген признался, что физикой он совсем не занималсято указал, что это можно наверстать. Так или иначе, в двадцать четыре года, будучи уже обрученным… [Рентген] начал изучать физику и заниматься ею [1, с. 138]. И до конца жизни остался верен ей.

Поверив Кундту, Рентген в качестве его ассистента последовал за ним в 1869 г. в Университет Вюрцбурга. Там он приступил к работе на кафедре физики, где позже стал ординарным профессором. Своих работ Рентген опубликовал пока еще немного, но уже в них было заметно его образцовое и довольно смелое экспериментальное искусство. При этом Рентген не был узким специалистом, хотя преимущественно занимался вопросами электромагнетизма и оптики.

Старое здание Университета Вюрцбурга, где располагалась лаборатория В. Рентгена, в которой он в 1895 г. обнаружил Х-лучи

Приобретя навыки, ученый создал нужные и вместе с тем простые для исследования и преподавания установки и получал на них точные результаты. Ценя ремесло в целом, он позднее вспоминал: Я всегда находил, что механическая работа именно в то время, когда дух занят менее приятными вещами, может принести настоящее удовлетворение. Всегда сразу видишь готовый и желаемый результат своих усилий, а в духовной области это далеко не всегда происходит быстро [2, с. 89].

Проработав три года в Университете Вюрцбурга, Рентген вместе с Кундтом в 1874 г. перешел в Страсбургский университет, в котором провел пять лет в качестве лектора, а с 1876 г. — и профессора. В 1879–1888 гг. он был профессором в Университете Людвига в Гиссене, а затем и директором Физического института при нем. Как раз в те годы сформировался его характер весьма сурового и замкнутого в общении профессора с соответствующим ему стилем чтения лекций и с определенной сухостью в общении со студентами, ассистентами и даже с коллегами по университету.

В 1872 г. Рентген вступил в брак с Анной Бертой Людвиг, дочерью владельца пансиона, встреченной им еще в Цюрихе, когда он учился в Федеральном технологическом институте. Брак оказался удачным (напомню о рентгеновском фото руки жены) и продолжительным. Их совместная жизнь длилась 47 лет, вплоть до кончины жены в 1919 г. Сам Рентген пережил ее на три года. Не имея собственных детей, они в свое время удочерили шестилетнюю Жозефину, дочь брата Анны.

В 1875 г. Рентген стал также профессором Академии сельского хозяйства в Каннингеме (Виттенберг). Тогда же, обучаясь у Кундта физически мыслить и работать и постигая тонкости постановки научных опытов, он обнаруживает слабое вращение плоскости поляризации света в некоторых парах и газах, помещенных в магнитное поле.

Осваивая тонкости эксперимента, он в 1888 г. опубликовал статью «Об электродинамической силе, возбуждаемой при движении диэлектрика в однородном электрическом поле», где подвел итоги опытов по вращению стеклянной шайбы между обкладками конденсатора и образованию магнитного поля у поляризованного диэлектрика. В науку вошло понятие поляризационный ток, или ток Рентгена. В 1903 г. усовершенствованный опыт поставил русский физик А. А. Эйхенвальд.

С 1888 г. Рентген возглавлял кафедру физики в Университете Вюрцбурга, в 1894 г. он был избран ректором. С 1900 г. работал в Мюнхенском университете — последнем месте его службы. Здесь М. фон Лауэ (он посещал практикум, во время которого Рентген очень обстоятельно и, видимо, с удовлетворением проверял… его… знания [1, с. 12]) спустя 12 лет после открытия Х-лучей вместе с В. Фридрихом и П. Книппингом обнаружил дифракцию этих лучей, подтвердив в итоге их электромагнитную природу.

Я искал невидимые лучи…

До открытия нового вида излучения В. Рентген исследовал пьезоэлектрические и пироэлектрические свойства кристаллов, пытаясь установить взаимосвязь электрических и оптических явлений в них, а также проводил опыты по магнетизму, послужившие одним из оснований электронной теории Х. А. Лоренца.

Важным условием, позволившим ученому совершить в науке ключевое открытие (на что постоянно претендуют десятки не менее талантливых ученых), стало то, что он, подобно М. Фарадею, Г. Герцу, М. Планку и А. Эйнштейну, был исследователем-одиночкой и таковым оставался до конца дней. Даже будучи руководителем физического института, ректором Вюрцбургского университета, Рентген и тогда не отказывался от своей неизменной привычки допоздна засиживаться в лаборатории.

Ф. Э. А. фон Ленард, лауреат Нобелевской премии по физике (1905) «за исследовательские работы по катодным лучам»

Главное открытие в своей жизни Рентген совершил, когда ему было уже 50 лет [3]. С самого начала он опирался на теоретические исследования Гельмгольца по электродинамике и оптике и экспериментальные работы Герца и Ленарда, чьи опыты он высоко оценил уже в первой статье о своем открытии. Его уникальная начитанность в отдельных вопросах признавалась всеми, кто знал исследователя близко.

Он досконально знал созданные ранее приборы, которые были проверены в экспериментальной практике при изучении электрических разрядов в газах и свойств катодных лучей другими учеными, и прежде всего М. Ю. Гольдштейном, И. В. Гитторфом, У. Круксом, Ф. Э. А. фон Ленардом и др. В их опытных работах Рентген прекрасно разбирался и, мастерски владея лабораторной техникой, с вполне достаточной долей уверенности приступил к своим основополагающим исследованиям.

Вечером 8 ноября 1895 г., когда ассистенты уже ушли домой, Рентген, как обычно, продолжал работать. Он включил ток в катодной трубке (подарок, полученный от Ленарда), закрытой со всех сторон плотным черным картоном. Лежавший неподалеку бумажный экран, покрытый слоем кристаллов платиноцианистого бария, начал светиться зеленоватым светом. После выключения тока свечение кристаллов прекратилось. При повторной подаче напряжения на катодную трубку свечение в кристаллах, никак не связанных с прибором, возобновилось.

Ученый пришел к выводу, что из трубки исходит ранее неизвестное излучение, названное им Х-лучами [3, с. 28]. Опыты показали, что Х-лучи возникают в месте столкновения лучей с преградой внутри катодной трубки (тормозное излучение ускоренных электронов). Антикатод был плоским, что обеспечивало интенсивный поток Х-лучей. Благодаря этой трубке (она впоследствии будет названа рентгеновской) в течение нескольких недель им были исследованы и описаны основные свойства ранее неизвестного излучения, которое позже назвали рентгеновским.

Лаборатория В. Рентгена в Университете Вюрцбурга, в которой были открыты X-лучи. Снимок сделан между 1895 и 1900 г. Фото из экспозиции Немецкого музея В. Рентгена

Это излучение было способно проникать сквозь непрозрачные материалы, не отражаясь и не преломляясь. Прозрачность веществ зависела не только от толщины слоя, но и от их состава. Выяснилось, что лучи ионизируют окружающий воздух, заставляют флюоресцировать ряд материалов (кроме платиноцианистого бария это свойство было обнаружено также у кальцита, обычного и уранового стекла, каменной соли и т.д.). Лучи обладают во много раз большей проникающей способностью, чем катодные, и, в отличие от них, не отклоняются в магнитном поле.

Рентген обнаружил также, что, хотя наш глаз не реагирует на излучение, оно засвечивает фотопластинки. Им были сделаны первые снимки с помощью рентгеновского излучения. Поскольку Х-лучи не идентичны катодным лучам [3, с. 39], во многих свойствах они, по его выводам, подобны видимому свету. Но получить их дифракцию ему не удалось. Поэтому исследователь предположил, что это продольные упругие колебания эфира, тогда как свет физика того времени считала поперечными колебаниями.

О своих экспериментах ученый сообщил научной общественности. Первое сообщение «О новом виде лучей» было им сделано 28 декабря 1895 г. на заседании Физико-медицинского общества. Второе сообщение представлено 16 марта 1896 г., а третье — в мае 1897 г. Все три сообщения общим объемом всего лишь три печатных листа, по определению А. Ф. Иоффе (ученика В. Рентгена), с такой необыкновенной полнотой раскрыли природу нового явления, равной которой мы не знаем в истории науки. И это характеризует Рентгена как блестящего физика [4, с. 317].

Рентгеновский снимок кисти руки с обручальным кольцом, как полагают, Анны Берты, жены Рентгена, выполненный им самим 22 декабря 1895 г. (Wellcome Collection фото, V0029523)

Полученные им фотографии (снимки буссоли**, ящика из дерева с разновесами в нем и самый из них поразительный, сделанный 22 декабря 1895 г. — т.е. за несколько дней до первого сообщения, — снимок левой руки госпожи Рентген) с брошюрой из трех статей он послал Дж. Дж. Томсону, Дж. Г. Стоксу, А. Пуанкаре, Э. Г. Варбургу, Р. Г. А. Кольраушу, Л. Э. Больцману, А. Г. Столетову и др. и получил от них ответные письма с признанием его заслуг, и в первую очередь его выдающегося открытия.

Однако после успешного во всех отношениях открытия Х-лучей дальнейшее исследование их свойств Рентгеном, желавшим обнаружить их дифракцию и интерференцию (для выяснения их волновых или корпускулярных свойств), несмотря на все усилия, оказались неудачными. Более того, ошибочными оказались представления о том, что X-лучи — это продольные волны в эфире, хотя подобное в те годы всеми воспринималось положительно.

Впрочем, Рентгена больше занимали опытные факты, но не само объяснение их. Так, уже в начале 1896 г. в одном из писем своему бывшему ассистенту Л. Цендеру он заметил: Какова природа лучей, мне совершенно неясно, и являются ли они в действительности продольными лучами света, для меня это второстепенный вопрос. Главное — факты [2, с. 83]. Пройдет 17 лет, прежде чем природа Х-лучей будет выяснена экспериментально, но уже другими исследователями.

Эксперименты с Х-лучами дали новые сведения и о строении вещества, а затем привели к пересмотру ряда положений классической физики. В итоге Рентген получил удовлетворение от своей работы. В 1901 г. он (его кандидатуру выдвинуло 16 физиков) опередил 10 других претендентов на Нобелевскую премию по физике и был удостоен ее первым «в знак признания исключительных услуг, которые он оказал науке открытием замечательных лучей, названных впоследствии в его честь».

Лауэ, позднее имевший самое непосредственное отношение к рентгеновским лучам, вспоминал: По моему мнению, впечатление от того открытия, которое он сделал, когда ему было 50 лет, было таким сильным, что он никогда не мог от него освободиться. Несомненно, что любое великое духовное деяние подавляет того, кто его совершил. Кроме того, Рентген, как и другие исследователи, испытал слишком много неприятностей из-за разных дурных качеств людей [1, с. 20].

Неприятностям способствовало то обстоятельство, что никаких очевидцев открытия Рентгена не было. Да и сам ученый весьма неопределенно говорил о его предыстории. Собственно, день открытия он много раз называл точно, но процесс эксперимента, проведенного 8 ноября 1895 г., нигде не был детально описан. Поэтому довольно скоро появились разного рода толки о том, что предшествовало наблюдению Рентгеном этих лучей и какова истинная заслуга самого ученого.

Они были естественны, ибо ряд ученых ранее наблюдали Х-лучи, но не придали им значения. Так, выдающийся немецкий экспериментатор Ленард (получивший Нобелевскую премию в 1905 г. за изучение катодных лучей), вначале поздравил Рентгена с его открытием, но позднее не раз называл его лишь повитухой, а себя — истинной матерью открытия. Вообще Ленард был обижен на недостаточную, по его мнению, оценку своего вклада в науку, а взамен теории относительности выдвигал «арийскую физику».

Вместе с тем сама работа с катодными трубками, позволявшая, казалось бы, так легко, как это воспринималось многими, обнаружить Х-лучи, была воспринята отдельными исследователями как своего рода стимул для поиска излучений иного рода, причем без особых усилий. Так, например, французский физик Р. П. Блондло в 1903 г. претендовал на открытие так называемых N-лучей. Как показал американский физик Р. Вуд, они были всего лишь результатом особенностей физиологии зрения исследователя.

Опубликовав в 1895–1996 гг. свои экспериментальные работы по открытию Х-лучей и изучению их свойств, Рентген больше к ним не возвращался. Все последующие успехи в исследовании рентгеновских лучей будут связаны с именами других ученых мира. В самом конце своей жизни Рентген продолжил исследования, но уже электрических свойств кристаллов.

Особенности экспериментальной деятельности Рентгена

С открытием рентгеновских лучей внимание научного мира было приковано к личности самого ученого. Оно было обусловлено искренним восхищением, а подчас и желанием разгадать те ее особенности, которые позволили именно Рентгену совершить скачок в разгадке явления, мимо которого прошло немало известных физиков того времени.

После этого открытия (причем в науке, далекой от повседневной жизни), вызвавшего взрыв эмоций в прошлом, прошло более столетия, но и сейчас остаются любопытными для нас оценки Рентгена-экспериментатора, высказанные учеными разных стран: в Германии и Великобритании, Франции и России. Приведу лишь отдельные из них.

Дж. Дж. Томсон, лауреат Нобелевской премии по физике 1906 г. (The Popular Science Monthly. 1908. V. 73, November. P. 478)

Дж. Дж. Томсон: Открытие Рентгеном Х-лучей, или супругами Кюри радия, или продолжительные опыты Ч. Т. Р. Вильсона… Открытия, подобные этим, обязаны тому, что не может быть куплено, — именно остроте и силе наблюдательности, интуиции, непоколебимому энтузиазму до окончательного разрешения всех затруднений и противоречий, сопутствующих пионерской работе. Вот это стремление добиться большого эффекта и стоит дорого [5, с. 74].

А. Ф. Иоффе: Блестящий экспериментаторский талант, ясная и простая постановка опытов, всесторонний и тонкий анализ возможных ошибок, наивысшая точность и достоверность полученных результатов — вот черты, общие всем его 50 работам, сделавшие их классическими. Значительная часть его работ имеет измерительный характер. Рентген всегда достигал большей точности, чем другие, и многие его измерения остались рекордными и через 40 лет [3, с. 9–10].

П. Н. Лебедев: Применение Х-лучей в медицине, возможность увидать то, что, казалось, останется навеки сокрыто от глаз человеческих (скелет живого человека), самое появление этого почти сказочного диагностического приема — все это с замечательной рельефностью выделяет ту часто забываемую истину, что всякий прогресс в прикладной науке или технике обусловливается исключительно успехами в области основных наук, в области чистого знания [6, с. 153].

Т. П. Кравец: Находит тот, кто ищет. Видеть найденное умеет тот, кто не только смотрит, но и видит. И великое открытие Х-лучей могло быть сделано только физиком, обладающим и физической зоркостью, и физической проницательностью. Этими качествами Рентген обладал в неизмеримо большей степени, чем та плеяда исследователей, которая бросилась по стопам его открытия и… больше сбивала серьезных ученых, чем помогала им сомнительными открытиями [7, с. 199].

Сам Рентген не был склонен к рассмотрению теоретических проблем. Тем не менее, его открытие оказало на науку мировоззренческое воздействие, после чего она стала стремительно меняться. По оценке С. Вайнберга***важны были не рентгеновские лучи сами по себе: скорее, их открытие воодушевило физиков и заставило их поверить, что есть еще вещи, которые можно открыть, особенно, если изучать разного рода излучения. И открытия быстро последовали одно за другим [8, с. 16].

По убеждению А. И. В. Зоммерфельда, В. Рентген был типичным классиком науки. Действительно, если первой заботой романтика является поскорее покончить с противостоящей ему проблемой, чтобы освободить место для следующей, то первая забота классика — так исчерпать разрабатываемую проблему, чтобы ни он сам и никакой другой его современник не был бы в состоянии полученные результаты улучшить [9, с. 134]. Применительно к Рентгену это абсолютно так, о чем убедительно свидетельствует сама манера его исследования.

Его осторожность в оценке опытных и теоретических исследований проявлялась в следующем. Он 10 лет не признавал существование электрона. Лично проверил опыты Фридриха — Книппинга, прежде чем согласиться с выводами Лауэ об электромагнитной природе Х-лучей. Скептически относился к теории относительности. Его недоверие к новым открытиям объяснялось невозможностью лично проверить теоретические выводы выдающихся ученых. Но квантовую физику он принял, о чем свидетельствует выдвижение им М. Планка и Н. Бора на Нобелевскую премию.

Однако научные заслуги Рентгена из-за особенностей его личности не пострадали. Ибо, по замечанию того же Кравеца, космические лучи, наше знакомство с элементарными частицами современной физики (нейтронами, позитронами, протонами, нейтрино, мезонами) и др. — все это было бы невозможно без того сдвига, который последовал в физике в результате открытия Х-лучей. Невозможен был бы и последний шаг — открытие и использование атомной энергии [7, с. 197].

Коллеги и ученики Рентгена

Как известно, знакомство В. Рентгена с немецкими коллегами (без чего научная деятельность его была бы затруднена) началось с А. Кундта, известного ученого, создателя школы экспериментаторов (к ней принадлежали как сам Рентген, так и Э. Варбург, О. Винер, В. Гальвакс, Ф. Пашен, Г. Рубенс, Э. Кон и др., а также талантливые русские исследователи П. Н. Лебедев, Б. Б. Голицын, В. А. Михельсон, Д. А. Гольдгаммер).

В научном мире его высоко ценили, о чем свидетельствует, например, сообщение Герца родителям о том, что профессор Рентген из Гисена поздравил его с экспериментами по доказательству существования электромагнитных волн, заметив при этом, что это — лучшая из работ последних лет в области физики. Со временем Рентген сблизится с такими выдающимися учеными, как Г. Гельмгольц, Г. Р. Кирхгоф, Х. А. Лоренц, несмотря на их принадлежность к классу теоретиков.

А. И. В. Зоммерфельд, немецкий физик-теоретик и математик. 1900 г. (Библиотека Конгресса США, № LC-B2- 5817-7)

Отношения Рентгена и его учеников зависели от оценки ими своих опытных данных. По воспоминаниям Зоммерфельда, насколько сильно поведение Рентгена и его мнение зависят от научной добросовестности в работе его ученика, может судить тот, кто видел, как Рентген все снова и снова придумывает возражения и контрольные опыты, как он борется с недоказанными умозаключениями и заставляет наблюдателя крепко держаться экспериментальных фактов [9, с. 130].

Авторитет Рентгена-экспериментатора в мире был высок. В 1911 г. Берлинской академией ему была предложена должность академика, предполагавшая проведение исследований по физике в соответствии с его заслугами как самого знаменитого из немецких физиков. Но после переговоров 66-летний Рентген, уже завершивший главные этапы своего творчества, в итоге отклонил это предложение, сохранив за собой руководство институтом в Мюнхене.

Рентген внушал глубокое уважение и как директор института, и как преподаватель, устрашая всех особой строгостью экзаменатора. Свои лекции (перед которыми, по свидетельству его ученика В. Фридриха, студентов каждый раз охватывало лихорадочное волнение) он читал без единого шутливого слова и без малейшей улыбки. Рентген принадлежал к блестящим ораторам, но, так как он говорил очень тихо, в аудитории обычно были заняты только первые три ряда.

Особенно тщательно он готовил демонстрационные опыты, которые проходили у него с большой точностью. Благодаря постановкам все новых экспериментов его деятельность всегда была на высшем научном уровне. Вероятно, эта его основательность, — писал Фридрих, — была причиной того, что его лекции казались молодым, восторженным студентам несколько сухими, однако тому, кто приходил уже со знанием физики, они давали чрезвычайно много [2, с. 97].

Хотя Рентген предпочитал экспериментальную работу и не был математиком, он искусно владел математическими средствами. Не нуждаясь, по словам Зоммерфельда, в математическом костыле [9, с. 135], он формулы в статьях применял редко. Но, как ученый, был не против участия своих студентов в еженедельных коллоквиумах и неформальных собраниях, проводимых тем же Зоммерфельдом, выдающимся теоретиком и талантливым педагогом.

Многие ученые, начавшие свой путь в науке под его опекой, со временем заняли кафедры в университетах. Прежде всего, это М. Вин, Л. Цендер, П. П. Кох, Э. Вагнер, Р. Ладенбург, П. Прингсгейм, В. Фридрих и др. На их научной и педагогической деятельности благотворно сказалось влияние стиля Рентгена как ученого и преподавателя, а также его неповторимой, во многом уникальной личности. Хотя он так и не стал организатором научной школы как таковой.

А. Ф. Иоффе, академик, ученик В. Рентгена, создатель советской научной школы физиков

Одним из последних учеников Рентгена целых 20 лет был русский ученый Иоффе, вместе с которым он проводил исследования механических и электрических свойств кристаллов. Итогом их совместных усилий стали в 1913 и 1922 гг. две статьи по данной теме [4]. Со временем Иоффе, высоко ценивший своего учителя, достиг значительных успехов на научном поприще и создал свою научную школу, во многом определившую успехи советской науки в последующие десятилетия.

С годами Рентген все больше замыкался в себе, его связь с коллегами ограничивалась собственно научными и деловыми отношениями, а также часами досуга — прогулками и отдыхом на природе. Ученый не посещал съездов естествоиспытателей, в обыденной жизни он общался лишь с ближайшими ассистентами и старинными друзьями.

От лучей Рентгена к новым исследованиям их свойств и природы

Исследования, связанные с рентгеновскими лучами, тут же привели к открытию радиоактивности А. Беккерелем и супругами М. Кюри и П. Кюри. При этом следует заметить, что открытие первого родилось из заблуждения Пуанкаре о том, что Х-лучи это один из видов фосфоресценции. Из проверки Беккерелем этого заблуждения и родилось его открытие.

П. Н. Лебедев, физик-экспериментатор, создатель первой в России научной физической школы

Русские физики И. И. Боргман, П. Н. Лебедев и О. Д. Хвольсон, каждый в свое время, написали Рентгену о своем восхищении его экспериментами. Они повторяли их на лекциях российским студентам в условиях, сходных с демонстрациями опытов Рентгена. Писали также и о том всеобщем восторге, который они испытали от созерцания рентгеновских снимков, особенно медицинского содержания.

Уже 4 февраля 1896 г. Рентгену была послана телеграмма, в которой сообщалось, что студенческая молодежь, собравшаяся в физической лаборатории С.-Петербургского университета на блестящую демонстрацию рентгеновых лучей профессором Боргманом и его ассистентами Гершуном и Скобельцыным, горячо приветствует профессора Рентгена с его великим открытием [10, с. 542].

Очень скоро трубки Рентгена нашли применение в медицине. Так, 13-летний Дж. Франк (будущий Нобелевский лауреат), сломавший в 1896 г. руку, по своей инициативе получил ее снимок на установке для опытов Рентгена. Тогда же Лебедев, (проводя наблюдения за Х-лучами, он защищал только лицо) обнаружил, что его незакрытая борода после облучения осталась в его руках. Чем дольше ученые работали с Х-лучами, тем больше была вероятность облучения.

Появление в Первую мировую войну массы раненых и искалеченных побудило ввести в обиход рентгенодиагностику. Об этом свидетельствует служба рентгенологов М. Кюри и ее дочери И. Кюри на французском участке фронта и Л. Мейтнер — на немецком. Все трое — выдающиеся физики, первые две — Нобелевские лауреаты.

Установка для экспериментов с X-лучами — пример простейшего рентгеновского аппарата. Состоит из источника высокого напряжения (катушка Румкорфа) и рентгеновской трубки Крукса

Рентгеновский аппарат, созданный американским изобретателем Т. А. Эдисоном, служил с мая 1896 г. на рентгеновской выставке в Нью-Йорке для демонстрации посетителям возможности увидеть собственную руку на светящемся экране. Но после того как помощник, обслуживавший аппарат, умер от тяжелых ожогов, изобретатель прекратил дальнейшие опыты с рентгеновскими лучами.

К Рентгену не раз обращались представители промышленных фирм с предложениями о покупке прав на использование изобретения. Но ученый отказывался патентовать открытие, не считая его источником дохода. Со временем рентгеновские трубки получили широкое распространение и применялись во многих странах. Появились новые направления науки и техники — рентгенология, рентгенодиагностика, рентгенометрия, рентгеноструктурный анализ и др.

Тем временем свойства и возможности рентгеновского излучения продолжали занимать умы научного сообщества. О его важности для науки 20-го столетия, как удобного инструмента при исследованиях в области атомной физики, а также в астрономии, свидетельствуют Нобелевские премии, присужденные после Рентгена ученым самых разных стран. Остановлюсь лишь на отдельных, наиболее значимых.

Макс фон Лауэ примерно в 1914 г., т.е. почти за год до получения Нобелевской премии по физике за открытие дифракции рентгеновских лучей на кристаллах (фото AB.1.0583 из архива Университета Цюриха, Швейцария)

В 1912 г. по просьбе Лауэ немецкие ученые Фридрих и Книппинг на опытах обнаружили дифракцию рентгеновских лучей, что позволило Лауэ теоретически обосновать их волновой характер и подтвердить реальность атомов, измерить расстояние между частицами кристаллической решетки. С применением структурного анализа, составляющей которого стали Х-лучи, началось изучение атомной структуры вещества. Лауэ в 1914 г. за открытие дифракции рентгеновских ручей на кристаллах был удостоен Нобелевской премии.

Тогда же английский ученый У. Л. Брэгг вывел формулу межплоскостных расстояний в кристаллах в соответствии с длиной волны Х-лучей и углами отблеска. Позднее он подчеркнул, что с помощью Х-лучей удалось узнать точное расстояние от первого до следующего слоя атомных групп, подобного первому. С этого момента благодаря рентгеновскому анализу кристаллография основывалась на точных сведениях о расположении атомов внутри кристалла. У. Г. Брэгг и У. Л. Брэгг, отец и сын, в 1915 г. за заслуги в исследовании структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей были удостоены Нобелевской премии.

Во введении к книге «Рентгеновские лучи и строение кристаллов» (1929) У. Л. Брэгг вполне справедливо заметил: Для того, чтобы усвоить содержание и успех нового учения (о природе рентгеновских лучей), необходимо иметь сведения как о рентгеновских лучах, так и о кристаллографии. Так как эти отрасли знания до сих пор не были связаны друг с другом, то следует ожидать, что многие, интересующиеся их новым развитием, встретят препятствие в удручающем невежестве в той или другой из них [11, с. 28].

Ч. Г. Баркла в 1904 г. получил поляризацию рентгеновских лучей, что позволило определить их как электромагнитное излучение и доказать их волновую природу. В 1906 г. он открыл характеристическое рентгеновское излучение химических элементов и флюоресцентную составляющую этого излучения. В 1917 г. он был удостоен Нобелевской премии по физике «за открытие характеристического рентгеновского излучения элементов».

Шведский физик М. К. Г. Сигбан развил методы получения Х-спектров, определил длины волн излучения, изучил рентгеновские спектры химических элементов, обнаружил и измерил дисперсию лучей, уточнил уравнение Вульфа — Брэгга, изготовил дифракционную решетку для мягкого излучения и создал рентгеновский вакуум-спектрограф. За открытия и исследования в области рентгеновской спектроскопии в 1924 г. ученый был удостоен Нобелевской премии.

В 1922 г. американский физик А. Х. Комптон обнаружил, что электрон частично поглощает порцию рентгеновского излучения, а остальную излучает в виде кванта меньшей частоты, а значит — с увеличенной длиной волны излучения. Таков был эффект Комптона [12]. Но он не ограничился только опытами, а вдобавок к этому теоретически обосновал феномен. В 1926 г. вышла в свет его книга «Рентгеновские лучи и электроны»а в 1927 г. ему присуждена Нобелевская премия.

И наконец, американский ученый Р. Джаккони с 1970-х годов проводил изыскания, которые привели его к открытию источников рентгеновского излучения в космосе. В 2002 г. он был удостоен Нобелевской премии за создание рентгеновской астрономии и изобретение рентгеновского телескопа. К тому времени раздел наблюдательной и теоретической астрофизики, исследующий источники космического рентгеновского излучения, существовал уже десятилетия.

За «бортом» Нобелевских премий остались многие открытия, посвященные Х-лучам. Ч. Г. Дарвин в 1913 г. создал теорию дифракции этих лучей. Г. Г. Дж. Мозли в 1913–1914 гг. вывел закон, связывающий частоту спектральных линий характеристического рентгеновского излучения с порядковым номером излучающего химического элемента (закон Мозли). П. Й. В. Дебай и П. Шеррер в 1916 г. предложили метод изучения структуры материалов с помощью дифракции рентгеновских лучей (метод Дебая — Шеррера).

При изучении рентгеновских лучей были случаи, когда один и тот же эффект обнаруживали двое-трое ученых. В такой ситуации оказался русский кристаллофизик Г. В. Вульф, оценивший проведенные У. Г. и У. Л. Брэггами эксперименты с рентгеновскими лучами и кристаллами. Он теоретически осмыслил их и повторил, а в феврале 1913 г. вывел формулу, сходную с брэгговской, называемой у нас формулой Вульфа — Брэгга.

Повседневная жизнь Вильгельма Рентгена

В жизни Рентген был скромным человеком. Когда принц-регент Баварии наградил его за вклад в науку орденом, дававшим право на дворянский титул с прибавлением к фамилии частицы «фон», он не счел для себя возможным принять дворянское звание. Когда 10 декабря 1901 г. ученый получил диплом лауреата Нобелевской премии, золотую медаль и денежный чек, он отказался читать Нобелевскую лекцию.

Здание Немецкого музея В. Рентгена (расположено недалеко от дома, в котором он родился) в г. Ремшайд, земля Северный Рейн-Вестфалия в Германии

Отказался он и от членства в Прусской академии. По воспоминаниям Иоффе, по своим политическим взглядам Рентген был либералом… противником монархии, а к царскому самодержавию относился настолько враждебно, что отказывался принять царские ордена. Рентген презирал антисемитов и расистов. Но он не понимал и коммунистов, а во время революции в Баварии в 1918 г. держался в стороне [13, с. 30].

Во время Первой мировой войны, когда правительство Германии обратилось к населению с просьбой помочь государству деньгами и ценностями, ученый отдал свои сбережения, включая Нобелевскую премию. После начала войны он решил, что не имеет морального права в это тяжелое для немцев время жить лучше других, и потому в конце жизни ему приходилось себе во многом отказывать.

Монета в 5 марок ГДР 1970 г. с изображением рентгеновской трубки, выпущенная к 125-летию В. Рентгена

На многих языках мира открытое Рентгеном явление по сей день называют Х-лучами, но по-русски, по-немецки, по-голландски, по-фински, по-датски, по-венгерски, по-сербски и на некоторых других языках — рентгеновским излучением. Названия научных дисциплин и методов, связанных с применением этого излучения, производятся уже от имени Рентгена: рентгенология, рентгеновская спектроскопия, рентгеновские спектры, рентгеновская астрономия, рентгенография, рентгеновская камера и т.д.

Монета в 10 марок, выпущенная в Германии к 150-летию В. Рентгена

В 1918 г. в Петрограде по инициативе М. И. Немёнова и А. Ф. Иоффе был создан первый в мире Государственный рентгенологический и радиологический институт, включивший в себя медико-биологический, физико-технический и радиевый отделы (в 1921 г. из института выделились Государственный физико-технический рентгенологический институт — ныне Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе РАН и Радиевый институт). В нем Рентгену был установлен в 1920 г. временный, а в 1928 г. — постоянный памятник. При этом рентгеновские аппараты для СССР пока еще закупались за границей.

Памятник В. Рентгену (скульптор В. А. Синайский) в Санкт-Петербурге (ул. Рентгена, д. 6), установленный в 1928 г.

По достижении предельного возраста В. Рентген передал кафедру Мюнхенского университета В. Вину (автору закона распределения энергии в спектре черного тела, нобелевскому лауреату за 1911 г.). У Рентгена были родственники в США, и он даже хотел эмигрировать туда для работы в Колумбийском университете в Нью-Йорке, но остался в Мюнхене, где и продолжалась его карьера. Умер великий ученый 10 февраля 1923 г. от рака и был похоронен в Гисене.

В 1931 г. вышла книга американского врача-рентгенолога О. Глассера, ученика П. Книппинга (ученика В. Рентгена). Из нее видно, что уже в 1896 г. открытию Рентгена в мире (кроме России) было посвящено 1040 статей. В России в «Журнале Русского физико-химического общества», не считая статей самого Рентгена, на «рентгеновскую» тему вышло 103 публикации [14].

После смерти Рентгена улица Лицейская в Петрограде была названа его именем. В его честь названы внесистемная единица экспозиционной дозы фотонного ионизирующего излучения — рентген (1928) и искусственный химический элемент рентгений с порядковым номером 111 (2004). В 1964 г. Международный астрономический союз присвоил его имя кратеру на обратной стороне Луны.

Литература
1. Лауэ М. Статьи и речи. М., 1969.
2. Гернек Ф. Пионеры атомного века. М., 1974.
3. Рентген В. О новом роде лучей. М.; Л., 1933.
4. Иоффе А. Ф. Избранные труды Т. 1. Л., 1974.
5. Капица П. Л. Научные труды. Наука и современное общество. М., 1998.
6. Лебедев П. Н. Собрание сочинений. М., 1963.
7. Кравец Т. П. От Ньютона до Вавилова. Л., 1967.
8. Вайнберг С. Мечты об окончательной теории: Физика в поисках самых фундаментальных законов природы. М., 2004.
9. Зоммерфельд А. Пути познания в физике. М., 1973.
10. Томас В. К. Три письма русских физиков // Успехи физических наук. 1966; 90(3): 541–544.
11. Вульф Г. В. Физика и кристаллография // Успехи физических наук. 1922; 3: 15–28.
12. Комптон А. Рассеяние рентгеновских лучей как частиц // Эйнштейновский сборник. 1986–1990. М., 1990; 398–404.
13. Иоффе А. Ф. Встречи с физиками. Мои воспоминания о зарубежных физиках. Л., 1983.
14. Френкель В. Я. Двойной юбилей: 150-летие со дня рождения Вильгельма Конрада Рентгена (1995 г.) и 100-летие со дня публикации статьи об открытии рентгеновских лучей (1996 г.) // Физика твердого тела. 1996; (9): 2609–2630.


* Август Адольф Эдуард Эберхардт Кундт (1839–1894) — немецкий физик-экспериментатор в области акустики, оптики, металлооптики и молекулярной физики. Создатель одного из первых физических институтов и первой международной школы экспериментаторов, в том числе и российских. Его учениками были П. Н. Лебедев, Б. Б. Голицын, Д. А. Гольдгаммер.

** Буссоль (фр. boussole) — геодезический инструмент для измерения углов при съемках на местности, специальный вид компаса. Имеет визирное приспособление. Шкала буссоли часто бывает направлена против часовой стрелки.

*** Стивен Вайнберг (1933 г. р.) — американский физик-теоретик в области физики элементарных частиц, теории гравитации, космологии. Один из авторов единой модели слабого и электромагнитного взаимодействия, лауреат (вместе с Ш. Л. Глэшоу и А. Саламом) Нобелевской премии по физике 1979 г.

Фото на “открытии” статьи: В. Рентген смотрит на рентгеновский экран, помещенный перед телом человека, и видит ребра и кости руки. Хромолитография (иконографическая коллекция Wellcome Library, фото L0027361)

ИСТОЧНИК: Элементы https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435641/V_K_Rentgen_geniy_prostoty_i_tochnosti_eksperimenta?from=rxblock

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *