Текст книги "Невидимый современник"

Автор книги: Николай Лучник

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 13 страниц)

Катодная трубка представляет собой стеклянную трубку, наполненную сильно разреженным газом. В ее стенки впаяны два электрода: катод (на него подается отрицательный заряд) и положительный анод. Если трубка заполнена газом при обычном давлении, ток через нее не идет. Разреженный газ проводит ток, начиная при этом светиться. Если газ еще более разрежен, то светится не он, а стенки трубки. Лучи, вызывающие это свечение, и получили название катодных.

Природа катодных лучей во времена Рентгена была загадкой. Теперь известно, что они представляют собой поток срывающихся с раскаленного катода электронов, которые к тому времени уже открыл «Джи-Джи» и в существование которых отказывался верить Рентген.

Если к работающей катодной трубке поднести лист бумаги, покрытый платиносинеродистым барием, бумага начинает светиться. Рентген заключил катодную трубку в чехол из черного картона – свечение не прекращалось. Похоже, что на светящееся вещество действуют какие-то невидимые лучи, способные проходить через непрозрачный картон. Физике такие лучи были неизвестны.

Открытие? Может быть. Рентген жил в казенной квартире, в доме, где находилась его лаборатория. Через несколько дней после первых наблюдений он перестал ходить обедать домой: еду ему приносили в лабораторию.

Ошибки быть не может. Это не катодные лучи и не какое-нибудь постороннее излучение, возникающее где-то вне трубки. Рентген уже точно может сказать, что невидимые лучи возникают в стекле катодной трубки – в том самом месте, где можно заметить зеленоватое светящееся пятнышко. Рентген никогда не выступает с незаконченными работами. Своему другу Теодору Бовери, профессору зоологии, он проговаривается: «Я открыл кое-что интересное, но еще не уверен, достаточно ли корректны мои наблюдения». Большего ученый не сказал даже лучшему другу.

Рентген велел лабораторному служителю перенести в лабораторию постель и теперь проводил здесь круглые сутки. Он уже знает, что новые лучи проходят через любые преграды, кроме свинца, все другие вещества только в большей или меньшей степени могут их ослаблять (на самом деле они проникают и через свинец, только слабее, чем через другие вещества), знает, что они очень плохо отражаются и преломляются. Узнает и многое другое, но считает нужным молча продолжать исследование.

Лишь 28 декабря Рентген говорит своей жене роковые слова о том, что, дескать, можно выпускать черта из бутылки, и передает небольшую рукопись профессору Леману, председателю «Вюрцбургского физико-медицинского общества», для опубликования в трудах этого общества. Тогда же Рентген пишет несколько писем ученым коллегам в разных странах, где сообщает о сделанном открытии и прилагает фотографии, полученные с помощью открытых им лучей. (Обратите внимание на этот факт: одному из писем суждено сыграть в нашей истории важную роль.)

23 января 1896 года на специальном заседании «Вюрцбургского общества» Рентген делает доклад о своем открытии с демонстрацией. Знаменитый анатом Кёлликер позволяет сфотографировать в новых лучах свою руку. Негатив тут же проявляется и оказывается превосходным. Фотография обошла почти все учебники физики, но мало кому известно, что это не просто рентгеновский снимок руки, а «портрет» известного анатома.

Нечего и говорить, доклад имел шумный успех. Кто-то тут же предлагает назвать новые лучи лучами Рентгена, но осторожное и завистливое большинство находит это преждевременным.

Новые лучи нужно как-то окрестить. В алгебре неизвестное чаще всего обозначают буквой «X» (икс). В первой же статье Рентген назвал неизвестные лучи икс-лучами и так и продолжал называть их до самой своей кончины (а умер он 10 февраля 1923 года в возрасте 78 лет).

Рентген продолжает исследования и публикует еще два сообщения об открытых им лучах – в марте 1896 и в мае 1897 года. Эти три работы, быстро ставшие классическими и переведенные на многие языки, многократно переиздавались. Передо мной перевод их на русский язык, изданный под редакцией Абрама Федоровича Иоффе – одного из учеников Рентгена. В книжке небольшого формата все три статьи вместе составляют около 60 страниц…

Открытие Рентгена вызвало исключительный интерес среди ученых. В течение одного лишь 1896 года вышло больше тысячи статей об X-лучах! Стало модным открывать новые лучи. Лучи Гретца… Лучи Блондло… F-лучи… Все они, как и многие другие, оказались результатом ошибок или недоразумений. Поток статей не ослабевает. Но интересно отметить: в течение 12 лет не появляется ничего принципиально нового об X-лучах (которые теперь почти все называют рентгеновыми), чего не было бы в трех небольших статьях самого Рентгена.

Две счастливые ошибки

20 января 1896 года заседание Парижской академии было особенно многолюдным. Пришли не только те, кому полагалось, но и падкие до сенсаций газетные корреспонденты и просто образованная публика.

Статья Рентгена еще не была опубликована в трудах «Вюрцбургского общества», но слух об открытии новых таинственных лучей распространился с поразительной быстротой, и сообщения о нем уже успели попасть в некоторые газеты. Поэтому известие о том, что на заседании академии ее президент, известный математик Анри Пуанкаре огласит письмо, полученное им лично от профессора Рентгена, привлекло широкое внимание.

Письмо прочли, продемонстрировали фотографии, полученные с помощью X-лучей, началось обсуждение, посыпались вопросы…

Понятно, что разных слушателей интересовали разные вещи. Профессора химии Анри Беккереля, например, больше всего волновал вопрос: из какого именно места катодной трубки выходят X-лучи, где они образуется. (Мы-то с вами помним, конечно, что лучи исходили из светящегося пятнышка на стеклянной стенке, примерно напротив раскаленного катода.)

Интерес профессора Беккереля был не случаен. Он занимался флюоресценцией – свойством некоторых веществ светиться под действием лучей света. Чаще всего свечение бывает зеленоватым, то есть таким же, что и пятнышко на стекле катодной трубки. Конечно, это может быть и случайным совпадением, но вдруг тут кроется новое открытие?

Вероятно, катодные лучи вызывают флюоресценцию стекла, думал Беккерель, а при флюоресценции образуются не только видимые зеленоватые лучи, но и те невидимые, которые открыл немецкий ученый. Но ведь это нетрудно проверить. И особенно легко Беккерелю, он уже несколько лет занимается изучением флюоресценции, и у него в шкафу целая коллекция веществ, которые на солнце сами начинают светиться.

Исследователь не стал откладывать дела в долгий ящик и сразу же приступил к опытам, благо ставить их просто. Беккерель взял фотографическую пластинку и завернул ее в черную бумагу, не пропускающую света. Теперь оставалось только положить на бумагу кусок флюоресцирующего вещества и выставить на солнце.

Какое вещество взять? Немного поколебавшись, Беккерель берет лепешку из уранил-сульфата – вещества, флюоресценция которого особенно интенсивна. Подержав свою нехитрую установку на солнце, ученый удаляется в темную комнату, разворачивает пластинку и кладет в проявитель. И – о чудо! – на пластинке ясно видно пятно такой же формы, как и лепешка из уранила. Выходит, предположение правильно.

Нужно продолжать опыты. Прежде всего повторить уже сделанный, чтобы исключить любые случайности, а потом начать исследовать невидимые лучи, скажем, проверить, через какие вещества они проходят, а через какие – нет.

Но Беккерелю катастрофически не везет. Чтобы вещество флюоресцировало, на него должны падать прямые солнечные лучи. А погода пасмурная. Беккерель заворачивает пластинки в черную бумагу, кладет на них лепешки уранила и ждет тех коротких минут, когда солнце, наконец, покажется из-за туч. Особенно неудачная погода стоит в конце февраля.

Первого марта (этот день вошел в историю!) Беккерель проявляет пластинки. Профессор смотрит на результат. И вдруг – что такое? На одной из пластинок особенно темное пятно, каких до сих пор не бывало. А посреди пятна – светлый крестик. Беккерель смотрит на номер пластинки, сверяет со своими записями, и оказывается, что пластинка вообще не выставлялась на солнце. 26 февраля он положил на завернутую пластинку медный крестик, на него – уранил-сульфат… Но солнце упорно не хотело показываться. Пришлось пластинку убрать в шкаф. И там она (в темноте!) пролежала до первого марта. А проявили ее по ошибке.

Поистине счастливая ошибка! Выходит, чтобы пластинка потемнела, вовсе не нужен солнечный свет. Неужели флюоресцирующее вещество испускает невидимые лучи и в темноте? Беккерель продолжает опыты. Он испытывает не только уранил-сульфат, но и другие вещества. Все правильно: пластинки темнеют и без освещения, но не от всех флюоресцирующих веществ. А от тех, которые не действуют в темноте, ничего не получается и на свету. Значит, флюоресценция тут ни при чем?

Да, ни при чем. Беккерель начал свои опыты, исходя из совершенно неправильных представлений, и это была вторая ошибка. Но две ошибки, взятые вместе, привели к успеху! Так в алгебре минус, умноженный на минус, дает плюс.

Причиной почернения пластинок оказалась не флюоресценция, а уран (название это слишком хорошо известно современному человеку!), входящий в состав уранил-сульфата. Желаемый эффект давали только те флюоресцирующие вещества, в которые входит уран. А самый большой эффект – чистый уран, который вообще не флюоресцирует.

Значит, уран обладает новым, до сих пор неизвестным свойством самопроизвольно испускать невидимые лучи, напоминающие X-лучи, открытые Рентгеном. Это свойство было названо радиоактивностью.

Поистине удивительно, что два столь похожих открытия были сделаны почти одновременно. Действительно, рентгеновы лучи и излучения радиоактивных веществ – близкие родственники.

Атомный бильярд

Итак, быстрые электроны, ударяясь о стеклянные стенки катодной трубки, рождают рентгеновы лучи. Почему? С поведением быстрых заряженных частиц мы уже встречались в опытах Резерфорда. Там частицы либо проходили через лепесток золота, либо отражались от него. Но стекло – такая преграда, которую они пробить не в силах, а отразиться могут. И некоторые электроны действительно отражаются от стекла, так же как бильярдный шар, ударившийся о твердую преграду. Шар с той же скоростью летит назад, то же происходит и с электронами.

Однако бильярдный шар может не только отразиться, но и затормозиться, встретившись с неупругой преградой. И электроны способны (физики так и говорят) «претерпеть неупругое столкновение» и затормозиться. Раз электрон остановился, значит потерял энергию. Но она не исчезает, а передается атому, с которым столкнулся электрон. Однако у атомов свои законы: каждому положен определенный запас энергии, и та, что он получил от быстрого электрона, оказывается лишней. Атом ее выбрасывает в виде лучей, которые по своей природе не отличаются от лучей света или радиоволн: такие же электромагнитные колебания, только энергия их значительно выше, что и обусловливает иные свойства. Ведь свет и радиоволны тоже обладают разными свойствами. Лучи, которые испускают атомы при бомбардировке их быстрыми электронами в катодной трубке, и есть рентгеновы лучи.

Вот, пожалуй, и все самое основное о природе и происхождении рентгеновых лучей. К этому можно добавить только, что современные рентгеновские трубки устроены несколько иначе, чем катодные трубки, с которыми работал Рентген. Степень торможения электронов зависит от атомного веса вещества, о которое они тормозятся. И уже Рентген догадался сделать «мишень» (ее называют антикатод) из металла. В принципе так же устроены и современные рентгеновские трубки. Остальное – технические детали, подчас очень важные, но не принципиальные.

Некоторые установки для получения рентгеновых лучей настолько своеобразны, что их даже не называют рентгеновскими аппаратами. Таков, например, бетатрон – устройство, дающее электроны с энергиями в десятки миллионов электрон-вольт. Для этого электроны разгоняют по спирали с помощью переменного магнитного поля. При торможении возникает рентгеновское излучение очень высокой энергии. Но хотя машина совсем не похожа на рентгеновский аппарат в районной поликлинике, принцип остается тем же: быстрые электроны тормозятся металлической преградой.

Насквозь и даже глубже

Выстрелом из винтовки нетрудно пробить доску. Но если ту же пулю бросить рукой или даже метнуть из рогатки, с доской ничего не произойдет. Это и понятно: рогатка не может дать пуле такой большой энергии, как заряд пороха.

Хотя физическая природа рентгеновых и световых лучей одинакова, первые свободно проходят через преграды, совершенно непрозрачные для вторых. Ведь энергия рентгеновых лучей во много тысяч раз больше энергии лучей света. Именно это свойство рентгеновых лучей и используется для «просвечивания»: в медицине – для рентгенодиагностики, в технике – для дефектоскопии.

Это очень важное свойство, но не оно нас сейчас интересует. Рентгеновы лучи проходят насквозь не на сто процентов. Если бы они все проходили насквозь, то и для просвечивания не годились бы. Никакого рентгеновского изображения не получалось: экран светился бы равномерно, а фотографическая пластинка равномерно темнела. Но воздух поглощает рентгеновы лучи очень слабо, мягкие ткани – сильнее, кости еще сильнее. Потому-то снимок дает и контуры тела, и очертания органов, и изображение скелета.

Действие на вещество может оказать не та часть лучей, что прошла насквозь, а та, которая в нем поглотилась. Значит, нужно посмотреть, что происходит при поглощении рентгеновых лучей веществом.

Любая волна обладает свойствами частицы, а любая частица – свойствами волны. При поглощении рентгеновых лучей веществом удобнее рассматривать их как частицы (кванты). С этой точки зрения рентгеновы лучи – поток частиц энергии (не имеющих массы покоя), несущихся со скоростью света. Большинство этих частиц свободно пронизывает вещество, пролетая мимо атомов. Но немногие (а чем плотнее вещество, тем, естественно, таких частиц больше) поглощаются атомами.

При поглощении квантов атомами происходит процесс, обратный тому, что мы видели в рентгеновской трубке при рождении лучей. Атом получает большую энергию, которая является лишней, и освобождается от нее. Энергия передается электрону, который отрывается от атома и начинает собственное путешествие в недрах вещества. Такой электрон носит название фотоэлектрона.

Описанный процесс характерен для рентгеновых лучей со сравнительно невысокой энергией квантов. Если же энергия больше, электрон уже не способен принять ее всю, и избыток снова излучается в виде кванта с соответственно меньшей энергией, который ведет себя так же, как и его «родитель»: летит сквозь вещество, пока не поглотится каким-нибудь атомом. Такой электрон, несущий не всю энергию, полученную атомом, а только часть ее, называют комптоновским (по имени английского ученого, сотрудника Резерфорда, изучившего этот процесс), или просто комптон-электрон. Фото– и комптон-электроны объединяют под общим названием вторичных электронов. По своему поведению в веществе они ничем не отличаются.

При взаимодействии рентгеновых квантов с веществом идут и некоторые другие процессы. Но они существенного значения для радиобиологии не представляют. Например, при взаимодействии рентгеновых квантов очень высокой энергии с тяжелыми атомами (которых в живом веществе почти нет) наблюдается презанятнейший процесс рождения пар. Его трудно понять: ничего подобного в нашем макромире мы не наблюдаем, но процесс идет в полном соответствии с законами физики – законом сохранения и с законом эквивалентности энергии и массы. Невесомый квант при торможении порождает две частицы, обладающие массой: электрон и позитрон (позитрон – частица во всем подобная электрону, но имеющая не отрицательный, а положительный заряд). Энергия превратилась в вещество.

Путешествие электрона

Рождением вторичных электронов процесс поглощения энергии не заканчивается, так как они несут значительную энергию и движутся внутри вещества.

Их путь гораздо короче, чем у рентгеновских квантов, но богаче происшествиями. Это и естественно, электрон отягощен массой и движется значительно медленнее. Ему гораздо труднее продираться через скопище атомов. Но дело не только в скорости. Электрон в отличие от кванта заряжен, заряжены и частицы вещества, через которые он путешествует. А электрические заряды энергично взаимодействуют друг с другом.

Итак, вторичный электрон проходит через вещество. При этом он взаимодействует с атомами, встречающимися на его пути. Каждому он отдает часть своей энергии, а отдав, начинает двигаться медленнее и несколько изменяет направление полета. Чем меньше энергия электрона, тем чаще взаимодействия. Израсходовав весь излишек энергии, электрон останавливается, соединившись с каким-нибудь атомом.

Что же происходит с атомами, которым вторичный электрон отдал часть энергии?

Если энергия, отданная вторичным электроном атому, невелика, она идет на то, чтобы поднять один из электронов на более высокую орбиту. Чем выше полученная энергия, тем дальше электрон уходит от ядра (на одну из разрешенных орбит!). Такой атом называется возбужденным. Он гораздо легче вступает в химические реакции, чем не возбужденный.

Свойством возбуждать атомы обладают не только электроны, рождающиеся при облучении вещества рентгеновыми лучами, но и ультрафиолетовые лучи и даже (хотя и в гораздо меньшей степени) видимый свет.

Но, отдавая энергию атомам, электроны не только возбуждают их. Часто энергия, переданная атому, настолько велика, и его электрон так далеко уходит от ядра, что вообще теряет с ним связь. Атом, потеряв электрон, становится заряженным положительно. Образуется, как говорят физики, пара ионов: отрицательный (ушедший электрон) и положительный (атом, лишенный электрона). Ионы обладают еще более высокой химической активностью, чем возбужденные атомы. Процесс отрыва электрона от атома носит название ионизации. (Наконец-то! До сих пор мне приходилось довольно трудно, потому что часто было нужно слово, которого я не мог употреблять, не объяснив, а теперь смогу это делать.)

Ни свет, ни ультрафиолетовые лучи, ни инфракрасные, ни радиоволны не способны вызывать ионизацию. Для этого им не хватает энергии. А лучи высоких энергий могут. Поэтому их называют ионизирующими.

Радиобиология как раз и занимается биологическим действием ионизирующих излучений.

Следы-невидимки

Электрон невозможно увидеть под микроскопом. И никогда не удастся как раз потому, что он не имеет цвета. Поскольку диаметр электрона во много раз меньше длины световой волны, его принципиально невозможно обнаружить оптическими методами.

Но хотя электрон нельзя разглядеть и под микроскопом, следы его мы можем отлично видеть невооруженным глазом. Если камеру заполнить перенасыщенным паром, а затем быстро изменить ее объем, она наполнится туманом. Если же перед этим внутри камеры пробегал электрон, мы увидим туманный след. Частицы тумана осели на ионизированных (электрически заряженных) атомах воздуха. Каждая капелька воды вдоль следа (такие следы называют треками) соответствует ионизированному атому. Как следы человека-невидимки из романа Герберта Уэллса выдавала налипшая к ногам грязь, так и следы электрона можно обнаружить по капелькам тумана.

Этот прибор есть в любой лаборатории, занимающейся изучением заряженных частиц. Он называется камерой Вильсона – по имени ученого, который ее изобрел. На фотографиях, полученных с помощью камеры Вильсона, видно, что след электрона в начале его пути состоит из ясно различимых капелек и кажется совершенно прямым. Дальше вдоль трека капельки располагаются все чаще, путь все больше искривляется, а в конце его мы видим плотный «хвост» из совершенно сливающихся частиц тумана.

Все это понятно. Ведь по мере движения электрон теряет энергию и постепенно замедляется, а чем медленнее он движется, тем с большим числом атомов успевает провзаимодействовать.

Рассматривая снимок более внимательно, мы замечаем, что трек электрона не вполне гладкий: то здесь, то там от него отходят коротенькие веточки. Они образовались в тех местах, где отрицательный ион (такой же электрон) получал достаточно большую энергию, чтобы, в свою очередь, произвести несколько ионизаций. Это так называемые дельта-лучи.

Итак, в камере Вильсона следы электрона обнаруживаются благодаря тому, что он производит ионизации, то есть создает электрический заряд. И, нужно заметить, большинство способов обнаружения и измерения ионизирующих частиц так или иначе используют электрические методы.

Правда, электрические методы не единственная возможность. Излучение можно обнаружить и с помощью фотографической пластинки и по свечению флюоресцирующего экрана. Но в обоих случаях ионизация не обязательна. И свечение экрана и почернение пластинки вызывается и с помощью простых возбуждений. Потому-то и существует обычная фотография!

Много важных работ в первую пору исследования ионизирующих излучений выполнено с помощью простейшего прибора – электроскопа, который при желании ничего не стоит изготовить собственными руками. В сосуде на металлическом стержне висят два тоненьких листочка фольги. Если к стержню прикоснуться заряженным предметом, листочки, получив одноименный заряд, разойдутся. Но если на электроскоп направить поток ионизирующих лучей, листочки вновь спадут. Это потому, что лучи ионизируют окружающий воздух.

Гораздо более тонкий прибор – счетная трубка: она регистрирует каждый проход ионизирующей частицы. Благодаря ионизации газа трубка на один миг начинает проводить ток, что и обнаруживается прибором: стрелка передвигается на одно деление или вспыхивает сигнальная лампочка.

Очень часто важно определить дозу радиации, то есть количество энергии, поглощенной веществом во время облучения. Определение дозы особенно важно при изучении биологического действия излучений, при использовании их в медицине и в сельском хозяйстве. Для измерения дозы рентгеновых лучей служит международная единица рентген. Она определяется как доза, создающая в одном кубическом сантиметре воздуха одну единицу электрического заряда.

И совершенно естественно, что наиболее ходовой метод дозиметрии заключается в измерении заряда, создаваемого в воздухе при облучении. Конечно при том же облучении доза, получаемая живой тканью, будет значительно больше: примерно в тысячу раз, так как ткань примерно в тысячу раз плотнее воздуха. Но, зная это, нетрудно, измерив дозу в воздухе, рассчитать, какая энергия будет поглощена в облучаемом веществе.

Такой пересчет не всегда бывает достаточно точным. Но теперь существует много методов дозиметрии. Есть дозиметры, меряющие дозу в веществе той же плотности, что и живая ткань, даже имеющем тот же атомарный состав. Разработаны и методы непосредственного измерения дозы в облучаемом объекте.

Родственники «икса»

Был ли рад Вильгельм Конрад Рентген своему открытию? Трудно сказать. Во всяком случае, к потоку работ об X-лучах, о поисках других невидимых лучей он относился очень скептически. В какой-то мере он был прав. Большинство сообщений о новых лучах оказывалось ошибочным. Поэтому и к радиоактивности Рентген вначале отнесся весьма холодно и осторожно. Однако работа Беккереля открыла в науке целую эпоху.

Радиоактивности повезло. За ее изучение взялись крупнейшие ученые. Сам Беккерель был первоклассным ученым. Но на первых же страницах истории радиоактивности мы встречаем сразу несколько титанов. Пьер Кюри… Чаще всего говорят о «супругах Кюри» и говорят в связи с открытием радия. Но если бы Пьер вообще не занимался радиоактивностью, имя его навсегда сохранилось бы в истории физики. Сенсационность открытия радия заслонила для широкой публики его блестящие работы по магнетизму и другим проблемам. Мария Склодовская-Кюри… Эрнст Резерфорд…

В такой компании радиоактивность очень быстро стала раскрывать свои тайны. Оказалось, что радиоактивен не только уран, но и торий, а также несколько других элементов, ранее неизвестных химикам.

Вскоре Резерфорд в простых и убедительных опытах показал, что излучение, открытое Беккерелем, неоднородно. При помещении в магнитное поле пучок расщеплялся на три части. Одна из них отклонялась к северному полюсу, другая – к южному, на третью магнит не действовал. Так родились три брата рентгеновых лучей: альфа-, бета– и гамма-лучи. Забегая несколько вперед, скажем, что все интересующие нас лучи представляют собой поток быстро летящих частиц, которые могут быть заряженными или нейтральными, иметь или не иметь массу.

Долгое время к четырем упомянутым типам лучей ничего не добавлялось. Только незадолго до войны обнаружили нейтроны. Но послевоенное развитие ядерной физики прорвало плотину. Были открыты десятки элементарных частиц, созданы могучие ускорители, с помощью которых можно ускорить, по крайней мере в принципе, частицы любого вещества.

После того как мы подробно разобрались в происхождении рентгеновых лучей и их взаимодействии с веществом, обо всех остальных ионизирующих лучах остается сказать лишь несколько слов, так как в их свойствах очень много общего.

Начнем с радиоактивности, с альфа-, бета– и гамма-лучей. Все эти лучи образуются при самопроизвольном превращении одних элементов в другие, и местом их рождения является атомное ядро.

Гамма-лучи по своей физической природе абсолютно ничем не отличаются от уже знакомых нам рентгеновых лучей. Разнятся они лишь названием и происхождением: гамма-лучи возникают при ядерных реакциях, а рентгеновы получают искусственно. Раньше иногда еще говорили, что гамма-лучи обладают большей энергией, чем рентгеновы. Но теперь это было бы неверно. С помощью ускорителей можно получать рентгеновы лучи с большей энергией квантов, чем у гамма-лучей, а при некоторых ядерных реакциях возникают гамма-лучи с довольно низкими энергиями.

Лучи с более высокой энергией (жесткие) лучше проникают в вещество, чем с более низкой (мягкие). Соответственно и средняя энергия вторичных электронов и длина их пробега у жестких лучей оказывается выше. Ионизации вдоль треков таких электронов расположены гораздо реже. А для очень мягких лучей весь трек состоит из весьма короткого, но густого «хвоста».

С бета-лучами еще проще, потому что это поток электронов. А как взаимодействуют электроны с веществом, уже говорилось в связи с рентгеновыми лучами. Кстати, и катодные лучи, работа с которыми привела Рентгена к его открытию, не что иное, как поток электронов. При желании их можно называть искусственными бета-лучами (хотя это и не принято). Конечно, и катодные лучи относятся к семейству ионизирующих и по своему действию на вещество ничем не отличаются от бета-лучей или вторичных электронов, образующихся в веществе при облучении рентгеновыми или гамма-лучами.

Альфа-лучи, так же как и бета-лучи, представляют собой поток заряженных частиц. Следовательно, они также производят ионизацию сами, а не с помощью вторичных частиц, как рентгеновы и гамма-лучи. В отличие от бета-частиц заряжены они не отрицательно, а положительно, и масса их примерно в восемь тысяч раз больше. Альфа-частицы – это заряженные ядра гелия – одного из легких элементов, который образуется при радиоактивном распаде. А раз масса альфа-частиц велика, значит движутся они через вещество медленно. Длина пробега их совсем мала, но зато ионизации вдоль трека расположены так часто, что создают почти сплошной столб.

Как видите, с естественными радиоактивными излучениями разобраться не сложно. Но в нашу атомную эпоху создали еще и искусственную радиоактивность, построили установки, где можно получать новые виды лучей, открыли множество элементарных частиц…

Дети атомного века

Мы не будем сколько-нибудь подробно разбирать свойства всех возможных ионизирующих излучений, не станем их даже перечислять. И не только потому, что механизм их действия на вещество в общем-то одинаков, но и потому, что более или менее широко в радиобиологии применяются лишь немногие из них. Но о чем нам обязательно нужно рассказать, о нейтронах. Своеобразен не только механизм их взаимодействия с веществом, но и их биологическое действие.

Нейтроны – тоже тяжелые частицы, они лишь в четыре раза легче альфа-частиц, но в отличие от альфа– и бета-частиц, не несут никакого электрического заряда. Следовательно, сами по себе нейтроны ионизацию производить не могут. С другой стороны, из-за отсутствия заряда они очень глубоко проникают внутрь вещества. Для них, как для электромагнитных излучений (рентгеновы и гамма-лучи), тоже не имеющих заряда, теоретически нет никаких преград: любой слой любого вещества может только в большей или меньшей степени ослабить их поток.

Нейтроны различаются по энергии. Но если для других излучений энергия определяла лишь количественные различия (большая длина пути, менее густая ионизация), то в случае нейтронов различия в энергии принципиальны.

Если подбирать сравнения из далекого детства, из тех времен, когда главное удовольствие для мальчишки заключается в том, чтобы стрелять, швырять, попадать, то быстрые нейтроны (нейтроны высоких энергий) можно сравнить с камнями, а медленные – со снежками. Если первые бьют по цели, то вторые чаще всего прилипают к ней.

Быстрые нейтроны, проходя через вещество, время от времени сталкиваются с атомными ядрами. Большинство ядер значительно тяжелее нейтронов. В результате столкновения ядро лишь слегка вздрагивает, а нейтрон отскакивает и летит в другом направлении. Но совершенно особый случай – ядро водорода. Масса его почти такая же, как и у нейтрона. Поэтому, если быстрый нейтрон сталкивается с ядром водорода, то для последнего удар оказывается весьма чувствительным. Оно не может удержаться на месте и отлетает на довольно большое расстояние. Впрочем, лучше говорить не «оно», то есть ядро, а «он» – протон, так как ядро водорода состоит из одного-единственного протона.

Такие протоны, выбиваемые быстрыми нейтронами, называют протонами отдачи. Протон – заряженная частица, и вдоль своего пути он создает ионизации. Густота ионизаций оказывается хотя и не такой большой, как у альфа-частиц, но гораздо более высокой, чем у всех остальных излучений, с которыми мы успели познакомиться.

Медленные нейтроны, которые я попробовал сравнить со снежками, во время своего путешествия в недрах вещества захватываются атомными ядрами, как бы прилипают к ним. В результате, как правило, образуются неустойчивые ядра, что приводит к ядерным реакциям, сопровождаемым излучением. Реакции идут разные, поэтому и излучение оказывается смешанным.