Валерий Чолаков
Нобеловите награди (11) (Учени и открития (1901–1982))

Рентгеновите лъчи

През декември 1895 г. Вилхелм Конрад Рьонтген, директор на Института по физика към Вюрцбургския университет, откри нов вид лъчи. Впоследствие историците на науката установиха, че това излъчване, появяващо се при работа на катодната тръба, е било наблюдавано многократно преди това.

През втората половина на 19 век катодни тръби имаше във всички по-големи физически лаборатории и е много чудно как никой не откри по-рано тези лъчи. Още Ойген Голдщайн в 1880 г. описа флуоресценция под действие на катодни лъчи, която се запазва дори след като екранът е защитен от тях. Десетина години по-късно Дж. Дж. Томсън, търсейки електрони в катодната тръба, също забеляза фосфоресценция на стъкло, поместено на повече от метър от апарата. Той обаче не му обърна внимание. По същото време на физиците бе добре известно, че не бива да се оставят фотоматериали до работеща катодна тръба, тъй като се осветяват. Всичко това показва, че учените са били на прага на откритието. Последната крачка бе направена от Вилхелм Рьонтген в 1895 г. За да наблюдава по-добре светенето в катодната тръба, той беше затъмнил своята лаборатория. При тези обстоятелства Рьонтген случайно забеляза, че картонен екран, покрит с флуоресциращ минерал, започва да свети, когато катодната тръба работи.

Има една мисъл на Пастьор, че случайността помага само на подготвения ум. Рьонтген веднага постави серия от експерименти и описа най-подробно свойствата на новите лъчи. Той установи, че те се разпространяват на голямо разстояние и проникват през различни вещества в зависимост от техния химически състав. По-нататък той установи, че лъчите не се пречупват, нито се отразяват и не се отклоняват от магнитно поле, което ги отличава от катодните лъчи. Само за няколко месеца Рьонтген изучи така основно новото излъчване, че трябваше да минат 20 години, за да се добави нещо към неговите изводи.

Макар и интересни сами по себе си, рентгеновите лъчи предизвикаха сензация със способността си да проникват през човешкото тяло и да дават изображение на скелета. За края на миналия век това беше невероятно откритие. Популярността на Рьонтген изведнъж стана толкова голяма, че той с мнозинство бе избран за първия лауреат на Нобеловата награда по физика в 1901 г.

Веднага след откриването на рентгеновите лъчи се поде старият спор, който по това време се развихряше около всички видове излъчване — дали това е поток от частици или електромагнитни вълни. През 1899 г. холандските физици Хага и Винд пропуснаха сноп рентгенови лъчи през тясна цепнатина и откриха слаб дифракционен ефект. От това те направиха извода, че рентгеновите лъчи имат дължина на вълната от порядъка на един ангстрьом (една стомилионна от сантиметъра). За сравнение, видимата светлина е с дължина на вълната от порядъка на няколко хиляди ангстрьома. В 1904 г. английският физик Чарлз Глоувър Баркла се зае да провери хипотезата на Джордж Стоукс, че рентгеновите лъчи трябва да се поляризират, ако са електромагнитни вълни, като това ще зависи от начина, по който се образуват в катодната тръба. Наистина бе открита поляризация и това се възприе като сериозен аргумент в полза на вълновата природа.

По същото време обаче се откриваха и факти в полза на корпускулярния характер на рентгеновите лъчи. В 1908 г. Уилиам Хенри Браг и Дж. Мадсен изследваха образуването на заредени частици при рентгеново облъчване. По-специално те наблюдаваха възникването на поток електрони и оттам направиха извода, че само частици могат да предизвикат подобен ефект. Тези експерименти наклониха везните в полза на корпускулярната теория и това положение се запази до 1912 г., когато изведнъж бе дадено блестящо доказателство за вълновите свойства на рентгеновите лъчи.

В Мюнхенския университет, където продължаваше да работи Рьонтген, професор Арнолд Зомерфелд възложи на своя сътрудник Макс фон Лауе да напише за една енциклопедия статия на тема „Вълнова оптика“. Това накара Лауе да изучи внимателно теорията за дифракция на светлината. По същото време един от учениците на Зомерфелд — Паул Евалд, работеше над дисертация върху оптиката на кристалите. Лауе, който често му даваше консултации, стигна до идеята, че разстоянието между атомите в кристалните решетки е от порядъка на предполагаемата дължина на вълната на рентгеновите лъчи. При това положение би трябвало да се наблюдава дифракция, ако лъчите минават през кристал.

С проверката на този въпрос се заеха младите изследователи Валтер Фридрих и П. Книпинг. След неколкократни експеримента бяха получени фотоизображения, показващи сложна дифракционна картина. Така бе фотографирана в 1912 г. дифракцията на рентгеновите лъчи при преминаване през кристал от меден сулфат. Това бе откритие с голям резонанс сред научните среди. Неговият инициатор Макс фон Лауе получи за своята забележителна идея Нобеловата награда по физика за 1914 г.

Изображенията на рентгеновата дифракция са доста сложни за обяснение. Лауе работи по този въпрос, но с много малък успех. Светлина върху проблема бе хвърлена от английския физик Уилиам Лорънс Браг и независимо от него от руския кристалограф Георгий Вулф. В 1913 г. те намериха връзката между дължината на вълната на рентгеновите лъчи и периода на кристалната решетка, т.е. разстоянието между атомните слоеве в кристала. Това разстояние определя ъгъла, на който може да се отклони рентгенов лъч с определена дължина на вълната. От този резултат следват два важни извода. От една страна, като се използват рентгенови лъчи с определена дължина на вълната, могат да се проучват структурите на веществата. От друга страна, като се използват кристали като готварската сол, чиято структура е известна от химията, може да се изследват самите рентгенови лъчи. Обширни експерименти от този род направиха Уилиам Лорънс Браг и неговият баща Уилиам Хенри Браг. Това постави началото на рентгеноструктурния анализ и донесе на двамата учени Нобеловата награда по физика за 1915 г. У. Л. Браг, който бе тогава само на 25 години, работи дълго и плодотворно в тази насока. Между 1938 и 1953 г., като директор на известната Кавендишка лаборатория, той насърчаваше прилагането на рентгеноструктурния анализ в зараждащата се молекулярна биология. И наистина там бе открита двойноспиралната структура на ДНК и пространственият строеж на някои белтъчни молекули.

Интересни експерименти с рентгеновото излъчване направи в началото на века Чарлз Баркла. След като доказа, че то може да се поляризира, в 1906 г. той откри т.нар. характеристични рентгенови лъчи. Обикновеното рентгеново излъчване има непрекъснат спектър. То се поражда от рязкото забавяне на електроните, когато катодните лъчи се удрят в мишената. При голямо напрежение обаче, наред с непрекъснатия спектър, възниква и допълнително рентгеново излъчване с определена дължина на вълната. Този линеен спектър, който се появява при напрежение над 10 000 волта, бе открит от Баркла и наречен от него характеристично рентгеново излъчване. Той му даде това име, защото излъчването зависеше от характера на веществото на мишената.

Тези резултати не можеха да бъдат обяснени от теорията. В практически аспект те бяха използвани за получаване на рентгенови лъчи с определени свойства, което бе необходимо за рентгеноструктурния анализ. Важността на откритието стана ясна десетина години по-късно, след като двамата Браг показаха възможността да се изследва рентгеновият спектър с помощта на кристали с известен строеж. По това време Нилс Бор вече бе предложил своя квантов модел на атома и характеристичното рентгеново излъчване започна да се свързва с електроните, разположени близо до атомното ядро. Значението на откритието на Баркла все повече нарастваше и накрая той получи Нобеловата награда по физика за 1917 г. Тя му бе връчена на следващата година след края на войната.

Изследването на лъчите на Баркла с метода на Браг постави началото на рентгеновата спектроскопия. Ценни приноси в тази област имат френският физик Морис дьо Брой — по-голям брат на Луи дьо Брой, и английският физик Хенри Мозли.

Мозли бе първият, който се зае системно да изучава специфичното рентгеново излъчване на различните елементи. Той откри закономерност, свързваща честотата на спектралните линии с номера на химичния елемент в периодичната таблица. Това откритие имаше голямо значение за установяването на физическия смисъл на атомния номер на елемента. Мозли показа, че характеристичните рентгенови лъчи се излъчват от дълбоките електронни слоеве, намиращи се близо до ядрото. Те дават за тях същата информация, както обикновената светлина за външните електрони.

Хенри Мозли бе едва 26-годишен, когато в 1913 г. публикува своя труд, записал името му в науката. Той загина две години по-късно при английския десант в Дарданелите. Заповедта за неговата демобилизация беше вече издадена и пътуваше по пощата.

Недовършената работа на Мозли бе продължена от шведския физик и експериментатор Мане Сигбан. Той разработи нови методи за получаването на подробни рентгенови спектри и с тях изучи излъчването и поглъщането на рентгенови лъчи при почти всички химически елементи. Така бяха събрани данни за структурата на електронната обвивка на атома.

Сигбан създаде дифракционна решетка за мекото рентгеново излъчване. С това той запълни празнината между твърдите рентгенови лъчи с малка дължина на вълната, които се изследват с кристални решетки и ултравиолетовите лъчи, които се пречупват от гравирани решетки. Изследванията на шведския учен показаха как се добавят електронни обвивки при преминаване от по-леки елементи към по-тежки. От наблюденията можеше да се установи колко електрона се намират в съответната обвивка на даден елемент. За тези обширни и подробни изследвания Мане Сигбан получи Нобеловата награда по физика за 1924 г.

Случи се така, че 57 години по-късно същата награда бе връчена на сина на Мане Сигбан — Кай. Увличайки се отрано от физиката, Кай Сигбан също се зае с рентгеновите лъчи и по-специално с електроните, които те изтръгват от веществото. В 1951 г., когато бе вече професор, младият шведски учен положи началото на един нов метод, наречен електронна спектроскопия за химически анализ. Основната заслуга на този изследовател е, че създаде апарат за изследване на енергетичния спектър на електроните, които се отделят от атомите под действието на рентгеновите лъчи. Веднъж разработен, електронният спектрометър се оказа изключително ценен уред за съвременната химия. Електронните спектри показват какво е обкръжението на атома и посоката на химическите връзки. Това дава възможност да се определя структурата на различни молекули. Методът е изключително чувствителен и за анализ е достатъчен само повърхностният слой от веществото на дълбочина не повече от 50–100 ангстрьома. Това впрочем дава възможност да се изследват процесите на корозия, адсорбция и други явления в химията на повърхностите. Днес приборите за електронна спектроскопия са неразделна част от екипировката на всяка лаборатория, която се занимава с химически анализ. Създателят на този универсален и чувствителен метод Кай Сигбан заслужено стана Нобеловият лауреат по физика за 1981 г.

Първият ефект на хикс-лъчите — светенето на флуоресциращ екран, бе наблюдаван от Вилхелм Рьонтген на 8 ноември 1895 г. Предварителното съобщение за откритието бе направено през декември, като там се споменаваше и за възможността да се наблюдава човешкият скелет. Първата рентгенограма бе направена на ръката на госпожа Рьонтген и на нея, наред с костите на дланта, особено ясно личи златната халка. Идеята за медицинско приложение на рентгеновите лъчи бе възприета с ентусиазъм и още на 20 януари 1896 г. в Дартмут, Ню Хемпшир, лекарите наблюдаваха счупването на ръката на един пациент. В почти всички университетски лаборатории по онова време имаше катодни тръби, които незабавно бяха приспособени за медицински цели. Доста бързо бе създадена и специализирана апаратура за нуждите на лекарите и така се постави началото на рентгенологията. Всичко това обаче беше чисто инженерна работа, която вече не интересуваше теоретиците. В продължение на десетилетия рентгеновата диагностика си оставаше на първоначалното ниво. Това положение се запази до 1963 г., когато Алън Кормак, физик от Кейптаун, разработи компютърния метод за рентгенова томография. Липсваха обаче достатъчни съвършени компютри и идеята бе реализирана едва в 1969 г. Това направи английският инженер Годфри Хаунсфийлд, който създаде първия действуващ апарат.

При сканиращата томография тънък сноп рентгенови лъчи преминава през човешкото тяло и се регистрира от детектор. Тъканите поглъщат излъчването и силата на лъча намалява. Всъщност на практика се използват хиляди детектори, като получените резултати се записват на магнитна лента. Компютър обработва данните и създава цветно телевизионно изображение, което показва в детайли строежа на вътрешните органи.

Обикновените рентгенови апарати фиксират разлики в поглъщането на рентгеновите лъчи или, както още се казва, разлики в плътността от порядъка на 1/50. Компютърният томограф улавя разлики от порядъка на 1/1000. Неговата скала обхваща хиляда степени над плътността на водата и още толкова под нея. Това се равнява на диапазон на поглъщането от въздуха до костта. Единицата за плътност, която характеризира доколко едно вещество поглъща рентгеновите лъчи, се нарича „Хаунсфийлд“. Например коефициентът на поглъщане на черния дроб е между 30 и 60, а на далака между 45 и 70. Възпалителните огнища и туморите са по-прозрачни за рентгеновите лъчи от здравите тъкани. С обикновен апарат разликата почти не се забелязва, но с компютърен томограф тя се вижда ясно и могат да се откриват тумори с размери като главичка на карфица.

Компютърната томография предизвика истинска революция в методите за наблюдение на организма. Тя рязко повишава възможността за ранна диагностика, което значи по-големи шансове за излекуване. Лекарите много високо оцениха компютърния томограф и това всеобщо мнение накара Нобеловия комитет при Каролинския институт да даде наградата по медицина за 1979 г. на двамата физици Алън Кормак и Годфри Хаунсфийлд.