|
Первый нобелевский лауреат Вильгельм РЕНТГЕН
Увидеть новое – большая
заслуга. А увидев, не пройти мимо, то есть действительно поверить
в новизну открывшегося – заслуга не меньшая. Напротив – гораздо большая.
Д.Данин
8 ноября 1895 г. профессор университета баварского города Вюрцбурга на юге Германии Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) впервые наблюдал неизвестные ранее лучи, проникающие через непрозрачные преграды. 27 ноября того же года шведский изобретатель и промышленник Альфред Бернхард Нобель (1833–1896) подписал в Париже завещание. Этим судьбоносным событиям довелось встретиться через пять лет.
Менее страницы из четырех в завещании было посвящено пожертвованию, прославившему имя А.Нобеля. Его идея состояла в том, чтобы «...перевести капитал в ценные бумаги, создав фонд, доходы которого выплачивать в виде премии тем, кто за предшествующий год внес наибольший вклад в прогресс человечества». Доходы следовало разделить на пять частей для награждения за важные открытия, изобретения или усовершенствования в области физики, химии, физиологии (медицины), а также за «наиболее значительное литературное произведение идеалистической направленности» и «весомый вклад в сплочение народов, ликвидацию или сокращение постоянных армий или в развитие мирных инициатив». После решения множества юридических и финансовых проблем и преодоления драматических коллизий завещание было признано законным. 26 июня 1900 г. король Швеции и Норвегии Оскар II утвердил Устав фонда и специальные правила, регламентирующие действия комитетов по присуждению премий.
При уточнении устава было принято расширительное толкование завещания: решено было рассматривать работы, выполненные не только в одном – предыдущем – году, но и в течение нескольких ближайших лет, а также «забытые» работы, значение которых было оценено сравнительно недавно. Существенным оказалось правило присуждать премии только действующим ученым, писателям и общественным личностям. Завещатель полагал, что премия будет способствовать интенсификации творчества награжденных.
Осуществление довольно призрачной надежды А.Нобеля, изложенной в завещании, было достигнуто проявлением беспримерной энергии его душеприказчиков Р.Сульмана и Р.Миллеквиста. Решающую роль в признании законным завещания и организации фонда Нобеля сыграла позиция членов русской ветви Нобелей, которые вслед за племянником Альфреда Нобеля Эммануэлем Людвиговичем Нобелем (1859–1932), одним из крупнейших предпринимателей в России, поддержали положения завещания, несмотря на ущемление их формальных имущественных прав.
В результате Фонд А.Нобеля был образован, и Нобелевские комитеты по всем номинациям премий в 1901 г. (100 лет назад) приступили к работе, чтобы к середине ноября вынести решение о присуждении премий, а 10 декабря 1901 г., в день кончины А.Нобеля, в торжественной обстановке, в Стокгольме, вручить лауреатам дипломы, золотые медали и премии в виде денежного чека.
Первую Нобелевскую премию по физике присудили 56-летнему В.Рентгену – за сделанное пятью годами ранее открытие лучей, которые носят его имя (сам ученый всегда называл их Х-лучами). К этому времени он был известным ученым, профессором Мюнхенского университета и директором Физического института. Давно нет необходимости популярно объяснять, что стоит за словом «рентген», ставшим нарицательным, тем не менее история открытия рентгеновских лучей, условия и методы работы их первооткрывателя продолжают интересовать многих.
Очевидцев открытия Рентгена не было. Сам он не рассказывал об истоках опыта, выполненного 8 ноября 1895 г., когда при включении обернутой в светонепроницаемую бумагу высоковольтной вакуумной трубки впервые наблюдал действие неизвестного излучения. Оно сводилось к вспышкам маленьких флуоресцирующих кристаллов, лежащих на лабораторном столе, и бледно-зеленому свечению бумажной ширмочки, покрытой платиносинеродистым барием. Один из биографов первооткрывателя, пожалуй, вернее всего отразил мотивы его дальнейших шагов. «Счастье, явившееся столь неожиданно, ’’великий жребий’’, как позднее сказал Рентген, который ему выпал, он хотел заслужить как исследователь, представив совершенно ’’безупречные результаты’’». И представил!
Перед этим четверть века он работал в физических лабораториях университетов Вюрцбурга, Страсбурга, Гисена и снова Вюрцбурга, до 1872 г. под руководством искусного физика-экспериментатора А.Кундта, потом самостоятельно. Он выполнил ряд исследований, требующих тщательных измерений свойств газов и кристаллов. По словам его ученика А.Ф.Иоффе, он «добивался большой точности... не усложнением аппарата и многочисленными поправками, а применением нового, целесообразно придуманного метода, который в корне устранял важнейшие ошибки и позволял добиваться точности при помощи простых, часто самодельных приборов».
Натолкнувшись на неизвестное явление, ученый на протяжении семи недель в полном одиночестве работал в одной из комнат своей лаборатории, изучая свойства Х-лучей. Он велел приносить себе пищу в университет и поставить там кровать, чтобы избежать сколько-нибудь значительных перерывов в работе. Сколько вздора об этом затворничестве ученого бытовало среди физиков! Только в конце своего «одиночества» (по некоторым сведениям, 22 декабря) он приоткрыл тайну, сделав снимок в Х-лучах руки своей жены Берты с обручальным кольцом, показанный наряду с другими снимками в сообщении В.Рентгена 28 декабря 1895 г. Сообщение, которое он направил на имя председателя Физико-медицинского общества Вюрцбургского университета, было незамедлительно напечатано и выпущено в свет отдельной брошюрой.
Открытие Рентгена быстро, даже по меркам современных средств обмена информацией, приобрело широкую известность. В ночь со 2 на 3 января содержание доклада Рентгена об Х-лучах стало известно редактору венской газеты «Neue Deutsche Presse», и наутро газета вышла с броским аншлагом на первой полосе огромными буквами: «СЕНСАЦИОННОЕ ОТКРЫТИЕ». А вечером 6 января телеграфом из Лондона на весь мир передавалось: «Даже шум военной тревоги не в силах был бы отвлечь внимание от замечательного триумфа науки, весть о котором докатилась до нас из Вены. Сообщается, что профессор Вюрцбургского университета Роутген [! – А.К., В.У.] открыл свет, который проникает при фотографировании через дерево, мясо и большинство других органических веществ. Профессору удалось сфотографировать металлические гири в закрытой деревянной коробке, а также человеческую руку, причем видны лишь кости, в то время как мясо невидимо». Дальше последовала лавина публикаций: только за один год свыше тысячи статей по новым лучам. Опыты с ними в течение нескольких недель были повторены в физических лабораториях многих стран.
Во всех европейских столицах – Лондоне, Париже, Берлине, Петербурге и т.д. – читались публичные лекции об открытии Рентгена и демонстрировались опыты. Только в Вене австрийская полиция наложила на их демонстрацию строжайший запрет ввиду того, что в полицию «не поступало официальных сведений о свойствах новых лучей, а потому строго воспрещается производить какие-либо опыты впредь до выяснения вопроса и особого распоряжения полиции».
В России уже в январе 1896 г. А.С.Попов в Кронштадте, изготовив с помощью С.С.Колотова вакуумную трубку Крукса, получил рентгеновские снимки для публичных демонстраций. В письме В.Рентгену профессор И.И.Боргман 3 (15) февраля 1896 г. сообщал результаты экспериментов с Х-лучами, выполненных им совместно с А.Л.Гершуном. В приложении к книге с переводом сообщения об открытии Х-лучей был приведен снимок рентгенограммы и утверждалось, что «отпечаток при помощи лучей Рентгена был получен в Физической лаборатории Петербургского университета 12 января, первый снимок руки сделан был 16 января». Вклад в исследование рентгеновских лучей в России в первые годы после открытия Рентгена внесли также другие русские исследователи: П.Н.Лебедев, Б.Б.Голицын, О.Д.Хвольсон, Ю.В.Вульф, А.Ф.Иоффе и др. Н.Г.Егоров организовал первую в России рентгеновскую лабораторию, а А.С.Попов – первый рентгеновский кабинет в Кронштадтском госпитале. В 1897 г. газеты писали, что студент Военно-медицинской академии Н.В.Вихрев сконструировал прибор, с помощью которого можно было делать одновременно два рентгеновских снимка с двух разных точек. Совмещая оба снимка, исследователь получал объемное изображение.
С момента открытия стало ясно практическое предназначение Х-лучей, прежде всего медицинское. Уже в 1896 г. их использовали для диагностики, немного позже – для терапии. Через 13 дней после сообщения Рентгена, 20 января 1896 г., в Дартмунде* (штат Нью-Гемпшир, США) врачи с помощью рентгеновских лучей наблюдали перелом руки пациента. Медики получили исключительно ценный инструмент. Под руководством А.С.Попова рентгеновскими аппаратами были оборудованы крупные корабли российского флота. Так, на крейсере «Аврора» во время Цусимского сражения были рентгенологически обследованы около 40 раненых матросов, что избавило их от мучительных поисков осколков с помощью зонда.
По-видимому, первым открытие Рентгена в рекламно-коммерческих целях применил Т.Эдисон: в мае 1896 г. он в Нью-Йорке организовал выставку, где желающие могли разглядывать на экране изображение своих конечностей в рентгеновских лучах. Но после того как его помощник умер от ожогов Х-лучами, Эдисон прекратил все опыты с ни- ми. Однако, несмотря на опасность, работы с новыми лучами, расширяясь и углубляясь, продолжались.
При всем колоссальном интересе к открытому явлению, понадобилось около 10 лет, чтобы в знаниях об Х-лучах добавилось что-то новое: английский физик Ч.Баркла доказал их волновую природу и открыл характеристическое (определенной длины волны) рентгеновское излучение. Еще через 6 лет Макс фон Лауэ разработал теорию интерференции Х-лучей на кристаллах, предложив использовать кристаллы в качестве дифракционных решеток. В том же 1912 г. эта теория получила экспериментальное подтверждение в опытах В.Фридриха и П.Книппинга.
Научное значение открытия Рентгена раскрывалось постепенно, что подтверждается присуждением еще семи нобелевских премий за работы в области рентгеновских лучей:
– в 1914 г., за открытие дифракции рентгеновских лучей (М. фон Лауэ);
– в 1915 г., за изучение структуры кристаллов с помощью рентгеновских лучей (отцу и сыну Брэггам);
– в 1917 г., за открытие характеристического рентгеновского излучения (Ч.Баркле);
– в 1924 г., за исследования спектров в диапазоне рентгеновских лучей (К.Сигбану);
– в 1927 г., за открытие рассеяния рентгеновских лучей на свободных электронах вещества (А.Комптону);
– в 1936 г., за вклад в изучение молекулярных структур с помощью дифракции рентгеновских лучей и электронов (П.Дебаю);
– в 1979 г., за разработку метода осевой (рентгеновской) томографии (А.Кормаку и Г.Хаунсфилду).
Кроме того, рентгеновским лучам обязаны такие великие открытия, как структура молекул гемоглобина, дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и белков, ответственных за фотосинтез (премии 1962 и 1988 гг.).
Рентген прекрасно понимал большое научное и технологическое значение своего открытия, но ему была чужда мысль о его торгашеском использовании. Считая, что результаты, полученные в научной лаборатории, могут и должны использоваться всеми, он решительно отверг предложение Берлинского электрического общества продать за большую сумму право на использование патентов будущих его открытий. Рентген не одобрял шумихи вокруг своего имени и продолжал работать, не допуская никаких отклонений от того метода работы, который считал единственно приемлемым.
Академик А.Ф.Иоффе в декабре 1945 г. на заседании cессии отделения физико-математических наук АН СССР, посвященном 50-летию открытия рентгеновских лучей, сказал: «Я думаю, что совершенно закономерно, что из многих исследователей, в течение 40 лет работавших среди рентгеновых лучей, их заметил только один Рентген, исключительно тонкий и точный экспериментатор – наблюдатель в самом высоком смысле этого слова».
Хотя вопросы об авторстве Рентгена были однозначно решены сразу после опубликования им основополагающих статей, его неоднократно обвиняли в плагиате. Особенно это проявилось в годы фашизма в Германии, где известные физики Ф.Ленард и И.Штарк были ярыми нацистами. И.Штарк в год 90-летия Рентгена в апрельском номере 1935 г. «Physikalische Zeitschrift» опубликовал статью, в которой пытался доказать, что Рентген наблюдал Х-лучи с помощью трубки, сконструированной Ленардом, и что эти лучи, по сути, ленардовы. Этот казуистический выпад Штарка обнажил и отверг Макс Вин, один из бывших ассистентов Рентгена. Он в августовском номере того же журнала заявил: «Наблюдение флуоресценции было исходной точкой открытия Рентгена. В какой форме трубки впервые наблюдалась флуоресценция, не имеет особого значения, так как во всех вакууммированных трубках появляются более или менее интенсивные лучи».
Рентген был безупречным исследователем и цельным человеком в науке и жизни. По воспоминаниям, это был очень суровый и замкнутый профессор. Он проводил свои опыты, как правило, в одиночестве. Это не исключало того, что в его лаборатории учились и работали физики, ставшие известными в первой четверти ХХ в.: М.Вин (1866–1938), А.Ф.Иоффе (1880–1960), В.Фридрих (1883–1968), П.Книппинг (1883–1935), Р.Ладенбург (1882–1952) и др. А.Ф.Иоффе вспоминал: «Редко можно было видеть улыбку на лице Рентгена. Но я видел, с какой трогательной заботливостью он относился к своей больной жене, как разглаживались его морщины, когда его увлекал научный вопрос, когда мы ходили на лыжах или слетали на салазках с гор... Рентген был человеком аскетической скромности... В Мюнхене, живя с женой и ее осиротевшей племянницей, Рентген вел скромный, замкнутый образ жизни. Точно в 8 часов начинал работать в институте и в 6 часов вечера возвращался домой; как и все, имел двухчасовой отдых от 12 до 2... Не могу также не вспомнить о деликатности, с которой Рентген устраивал мой отдых в Швейцарии. Он приглашал меня на свой счет в качестве ассистента в тот швейцарский отель, где жил сам, якобы для обсуждения нашей совместной работы» (А.Ф.Иоффе. Встречи с физиками. – М.: Физматгиз, 1962, с. 27, 29).
В.К.Рентген в письме Л.Цендеру (1905 г.) писал: «В русском докторе Иоффе я имею очень способного приват-доцента. Я работаю с ним уже два года и совместно произвел огромное количество материала, публиковать который мне боязно» (Ф.Гернек. Пионеры атомного века. – М.: Прогресс, 1974, с. 99).
Ученый Рентген был скромным, законопослушным человеком, бюргером от науки. Даже получать Нобелевскую премию он ездил в Стокгольм по ходатайству в Министерство церковных и школьных дел Баварии. Это ходатайство об отпуске было написано 6 декабря 1901 г., за три дня до получения премии, и в полной мере соответствовало стилю времени и нравам высшей школы Германии. В нем ученый писал: «По доверительному сообщению Королевской Шведской академии наук почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся получил первую Нобелевскую премию за 1901 год. Королевская Шведская академия придает особое значение тому, чтобы удостоенные премии принимали ее лично в Стокгольме в день вручения (10 декабря текущего года). Так как эти премии обладают исключительно высокой ценностью и в высшей степени почетны, то почтительнейше и покорнейше нижеподписавшийся полагает, что должен последовать, хотя и не с легким сердцем, желанию Королевской Шведской академии, а потому он просит предоставить ему отпуск в продолжение следующей недели» (там же, с. 94–95).
Рентген был единственным лауреатом в истории Нобелевского фонда, кто не читал Нобелевской лекции. Летом 1902 г. он обратился в Стокгольм с запросом о сроке ее прочтения. Ответ из Швеции позволил ему считать, что в Уставе фонда отсутствует положение об обязательной процедуре чтения лекции. Учтя это обстоятельство, Рентген заявил, что он охотно отказывается от публичного выступления с докладом. Он мало участвовал в публичных мероприятиях, никогда не принимал участия в ежегодных съездах физиков, естествоиспытателей и врачей, отвергал всякие чествования со стороны власть имущих, однако был подлинным патриотом Германии.
В целом, как писал А.Ф.Иоффе, «рентгеновы лучи впервые пробили брешь во внешней оболочке атома, положили этим начало открытий атомной физики и в ходе исторического развития привели к освобождению атомной энергии».
Возможности, заложенные в физических свойствах рентгеновских лучей, несмотря на 105-летнюю историю их изучения и использования, до сих пор полностью не реализованы. Это видно, например, из интенсивного развития в последние три десятилетия рентгеновской оптики. С учетом существенно различных характеристик лучей в областях жесткого (длины волн 0,01–1 нм), мягкого (1–30 нм) и ультрамягкого (30–100 нм) излучений созданы и продолжают создаваться прецизионные методы исследования разнородных веществ, высокие технологии изготовления рентгенооптических элементов и уникальных промышленных рентгеновских приборов и устройств.
Оптические характеристики материалов в рентгеновском диапазоне обладают рядом особенностей, не свойственных характеристикам видимого излучения. Это относится к таким кардинальным свойствам лучей, как преломление и отражение.
Показатель преломления лучей в рентгеновской области спектра для всех веществ мало отличается от единицы. Вследствие этого элементы типа линз и призм в рентгенооптике практически не используются. Причина ясна: фокусное расстояние собирающей линзы из никеля радиусами поверхностей 1 см для лучей длиной волны 0,1 нм составляет примерно 100 м.
Об опытах по преломлению новых лучей Рентген в первой публикации сообщал: «Установив проницаемость тел довольно большой толщины, я поспешил исследовать поведение Х-лучей при прохождении через призму: отклоняются они ею или нет. Опыты с водой и сероуглеродом в слюдяных призмах с преломляющим углом около 30 градусов не дали никакого отклонения ни на флуоресцирующем экране, ни на фотографической пластинке. Для сравнения при тех же условиях наблюдалось отклонение лучей света. Отклоненные изображения были удалены от неотклоненных на расстояние от 10 до 20 мм. С призмами из эбонита и алюминия с преломляющим углом также в 30 градусов я получил на фотографической пластинке снимки, на которых как будто можно было заметить отклонение. Но это было весьма неясно. Во всяком случае, если отклонение вообще существует, то оно настолько мало, что показатель преломления Х-лучей в указанных веществах мог быть не больше 1,05».
Однако аналогами обычных линз в ультрамягком рентгеновском излучении служат обладающие высоким пространственным разрешением зонные пластинки Френеля, состоящие из системы чередующихся прозрачных и непрозрачных концентрических колец строго заданной ширины. Зонная пластинка Френеля, увеличивающая за счет дифракции энергетическую освещенность в точке наблюдения подобно собирающей (положительной) линзе, в качестве рентгенооптического элемента была предложена в 1952 г. Такие пластинки служат основным узлом в сканирующих и изображающих рентгеновских микроскопах с использованием синхротронного излучения.
Уже в первых опытах Рентген заметил, что открытые им лучи практически не отражаются. Он писал: «Можно заключить, что ни одно из исследовавшихся веществ не дает правильного отражения Х-лучей». Длительное время считалось, что создание эффективных рентгеновских зеркал невозможно. Углубленное исследование физики коротковолнового излучения сравнительно недавно позволило найти решение задачи путем использования многослойных отражающих покрытий. Они представляют собой структуру из множества пар чередующихся слоев нанометровой толщины с различным значением диэлектрической проницаемости, нанесенных таким образом, что период чередования слоев постоянен или изменяется по определенному закону. В этом случае даже весьма незначительное отражение от каждой границы десятков или сотен слоев зеркала благодаря отражению синфазных волн дает суммарный коэффициент отражения рентгеновских лучей в несколько десятков процентов при любых углах вплоть до нормального падения. На подложку – полированную пластинку кремния или плавленого кварца – поочередно наносятся электронно-лучевым, магнетронным или лазерным напылением слои тяжелых металлов (W, Mo, Ni, Re...) и слои легких элементов (C, B, Be, Si). С помощью зеркал с многослойными покрытиями реализуется фокусирующая и изображающая рентгеновская оптика нормального падения. Перспективы же этой оптики означают создание мощных рентгеновских лазеров, уникальных рентгеновских микроскопов, технологических установок рентгеновской литографии для производства интегральных микросхем нового поколения, а также развитие таких ветвей науки, как рентгеновская астрономия, рентгеновская голография, химический и биофизический микроанализ.
Различные типы рентгеновских
трубок, появившихся в 1896 г.
Радио- и рентгеновское излучение, а также радиоактивность – открытия, «спрессованные» во времени примерно в десять месяцев, стали спусковым крючком для развития экспериментальной физики ХХ в. Память о первооткрывателях этих явлений А.С.Попове, В.Рентгене и А.Беккереле неувядаема. Об этом, например, свидетельствует деятельность музея-лаборатории в Вюрцбурге, в которой Рентген сделал свое открытие. В исторической лаборатории все сохраняется без изменений, и она вместе с прилегающими помещениями образует мемориал. Здесь демонстрируются документальные фильмы на немецком, английском, французском и японском языках. В честь 100-летия со времени присуждения ученому Нобелевской премии, проводятся специальные мероприятия для поддержания благодарной памяти.
Вместе с В.Рентгеном первые Нобелевские премии в 1901 г. были присуждены нидерландскому физико-химику Якову Хендрику Вант-Гоффу (1852–1911) по химии – за открытие законов химической динамики и осмотического давления в растворах – и немецкому бактериологу Эмилю Адольфу Берингу (1854–1917) по физиологии и медицине – за работы по серотерапии и прежде всего за использование ее в борьбе против дифтерии. Премию Мира получил швейцарский общественный деятель Анри Жан Дюнан (1828–1910), инициатор создания международного общества Красного креста в 1863 г., а литературную премию – французский поэт Франсуа Арман Сюлли-Прюдом (1839–1907) – за философские поэмы и книгу стихов «Напрасная нежность». Каждый из первых лауреатов Нобелевского фонда – яркая творческая личность. Это фактически сразу придало премиям фонда Нобеля большую весомость.
В этой связи по сей день справедливыми остаются слова П.Л.Капицы: «Несмотря на большие изменения в жизни науки, одна вещь осталась [за столетие] – это Нобелевская премия... Другой такой премии, пользующейся подобным международным авторитетом, не существует».
Череда блестящих физиков-лауреатов Нобелевской премии по физике ХХ в. началась с В.Рентгена, заслуги которого трудно преувеличить. В год сто-летнего юбилея премий в конце века премию Нобеля, как известно, получил российский физик Ж.И.Алфёров, возглавляющий Физико-технический институт, основанный учеником Рентгена А.Ф.Иоффе и носящий имя основателя. Надо надеяться, что имена ученых России еще не раз пополнят списки лауреатов Нобелевской премии, которая остается самой престижной научной наградой.
* Мы не нашли такого города в географическом атласе. – Ред.http://archive.1september.ru/fiz/2001/44/no44_01.htm
А.И.Климин,
В.А.Урвалов, почетный член
НТОРЭС им. А.С.Попова, С.-Петербург
