Дата в истории — 8 ноября. Как работают X-лучи и чем рисковали ученые, открывшие рентген

Рентген начал проверять, через что проходят неизвестные лучи. Бумага, дерево и книги не могли полностью их остановить. Металлические предметы задерживали излучение заметно сильнее. А когда между трубкой и экраном оказалась рука, на нем проявились очертания костей. Через несколько недель, 22 декабря, ученый получил знаменитый снимок руки своей жены Анны Берты, на котором отчетливо видны кости пальцев и обручальное кольцо. Не зная природы нового явления, Рентген назвал его X-лучами: буквой X в математике принято обозначать неизвестную величину.

С физической точки зрения видимый свет и рентгеновское излучение имеют общую природу. И то, и другое представляет собой электромагнитные волны, энергию которых переносят фотоны. Различие заключается прежде всего в длине волны и энергии каждого фотона.

Человеческий глаз воспринимает свет с длинами волн приблизительно от 400 до 700 нанометров. У рентгеновского излучения длины волн гораздо меньше — порядка сотых долей или единиц нанометра. Чем короче волна, тем выше частота и энергия фотона. Поэтому рентгеновские лучи способны взаимодействовать с веществом иначе, чем обычный свет, в том числе выбивать электроны из атомов. Именно это свойство делает их и полезными для диагностики, и потенциально опасными для живых тканей.

В современных медицинских аппаратах X-лучи получают в специальной вакуумной трубке. Внутри находятся два основных электрода: катод и анод. Катод содержит нагреваемую нить, из которой вылетают электроны. Высокое напряжение между электродами разгоняет их до больших скоростей, после чего они ударяются о металлическую мишень анода, обычно изготовленную с использованием вольфрама.

При резком торможении электронов часть их кинетической энергии превращается в рентгеновские фотоны. Этот процесс называется тормозным излучением. Кроме того, летящий электрон может выбить другой электрон с внутренней оболочки атома мишени. Когда освободившееся место занимает электрон с более высокой энергетической оболочки, тоже может испуститься рентгеновский фотон — уже с характерной для данного вещества энергией.

Впрочем, превращение электрической энергии в X-лучи довольно неэффективно: большая ее часть выделяется в виде тепла. Поэтому конструкторам рентгеновских трубок приходится решать еще и задачу охлаждения анода. А регулируя напряжение, ток и время экспозиции, аппарат управляет энергией излучения и количеством фотонов, направляемых к исследуемому объекту.

Представим рентгеновский аппарат в самом простом виде. С одной стороны находится источник излучения, с другой — детектор. Между ними помещают руку или другую часть тела. Источник отправляет пучок X-лучей, а детектор регистрирует, какая часть излучения сумела пройти сквозь ткани.

Ключевой момент заключается в том, что разные материалы ослабляют рентгеновские лучи неодинаково. Одни фотоны поглощаются, другие рассеиваются, а оставшиеся достигают детектора. Результат зависит от толщины объекта, плотности и атомного состава вещества, а также энергии самих фотонов.

В костях содержатся соединения кальция. В сочетании с высокой плотностью костной ткани это приводит к тому, что при обычных диагностических энергиях она ослабляет рентгеновский пучок значительно сильнее большинства окружающих мягких тканей. До детектора за костью доходит меньше фотонов. Если же луч проходит через участок, заполненный воздухом, например через легкое, ослабление оказывается гораздо меньше.

Остается перевести полученные измерения в картинку. На традиционной рентгеновской пленке сильное облучение приводило к большему почернению при проявке. Современная цифровая рентгенография использует электронные детекторы и программную обработку, но привычный принцип отображения сохранился: области, через которые прошло много излучения, выглядят темными, а участки, задержавшие значительную часть пучка, — светлыми.

Поэтому на снимке грудной клетки ребра выглядят белесыми, а заполненные воздухом легкие — гораздо более темными. Рентгеновский аппарат вовсе не «видит кости» в привычном смысле. Он строит карту того, насколько сильно разные участки тела ослабили прошедшее через них излучение.

У такого способа есть ограничение: обычная рентгенограмма превращает трехмерный объект в двумерную проекцию. Разные структуры могут накладываться друг на друга, скрывая детали. Компьютерная томография решает эту проблему иначе: источник и детекторы регистрируют множество проекций под разными углами, а компьютер математически восстанавливает по ним послойное изображение внутренних органов.

Сразу после открытия X-лучей их начали применять в медицине. Уже в 1896 году с помощью рентгенографии врачи искали переломы и инородные предметы. Возможность заглянуть внутрь тела без хирургической операции выглядела настолько невероятной, что новая технология стремительно распространилась по Европе и Америке.

Однако физики и врачи еще плохо понимали, какую опасность представляет новое излучение. Рентгеновские фотоны обладают достаточной энергией, чтобы ионизировать атомы и молекулы. В живой ткани такие процессы способны повреждать клетки, в том числе молекулы ДНК. Последствия зависят от полученной дозы, условий облучения и других факторов.

Проблема заключалась в том, что воздействие X-лучей человек непосредственно не ощущает. Невозможно почувствовать, сколько излучения прошло через руку за время исследования или какую дозу получил специалист, многократно проводящий эксперименты. Первые установки не имели современных систем экранирования, контроля дозы и автоматического ограничения экспозиции. Некоторые ранние снимки требовали длительного облучения, а исследователи нередко проверяли аппаратуру на собственных руках.

Последствия стали проявляться довольно быстро: у людей, часто работавших с рентгеновскими трубками, возникали ожоги кожи, выпадение волос и хронические повреждения тканей. Одним из трагических примеров стал Кларенс Дэлли, помощник Томаса Эдисона, который участвовал в разработке ранних рентгеновских приборов. После многолетнего интенсивного облучения он тяжело заболел и умер в 1904 году.

Современная рентгенография устроена иначе. Источники излучения экранированы, пучок ограничивают областью исследования, а специальные фильтры задерживают низкоэнергетические фотоны, которые в основном увеличивали бы облучение пациента, почти не улучшая снимок. Более чувствительные цифровые детекторы позволяют получать диагностически полезные изображения при значительно меньших дозах, чем на ранних установках. При этом рентген остается источником ионизирующего излучения, поэтому каждое медицинское исследование должно иметь обоснование, а его параметры — подбираться с учетом необходимого качества изображения и минимизации дозы.

Рентгеновская диагностика интересна еще и как пример того, насколько далеко измерительный прибор способен расширить человеческое восприятие. Глаз не видит X-лучи, а потому для получения изображения сначала нужно заставить излучение взаимодействовать с веществом, затем зарегистрировать результат и преобразовать его в понятную нам форму.

Похожий подход работает во множестве других экспериментов, причем для этого совсем не обязательно использовать сложную или опасную аппаратуру. Например, звуковую волну мы можем слышать, но не способны непосредственно увидеть, как изменяется давление воздуха при ее распространении. Зато колебания можно зарегистрировать прибором или сделать заметными через движение предметов, а затем исследовать частоту, амплитуду и резонанс.

Именно такими свойствами звука посвящено интерактивное научное шоу WOW! HOW? «Звуковые эксперименты: музыка и наука в действии», которое пройдет 21 ноября в Малом зале Концертного зала «Зарядье». На примере музыкальных инструментов и физических опытов зрителям покажут, как возникают звуковые колебания, что определяет громкость и частоту звука и почему появляется резонанс.

Разумеется, звук и X-лучи — физически разные явления: звук представляет собой механическую волну и требует среды для распространения, а рентгеновское излучение относится к электромагнитному спектру и может распространяться в вакууме. Но исследовательский принцип общий: обнаружить явление, зарегистрировать его действие и объяснить механизм.

За 130 с лишним лет X-лучи превратились из неожиданного свечения лабораторного экрана в инструмент, без которого трудно представить современную медицину, промышленную дефектоскопию и исследования структуры вещества. Они помогают находить трещины внутри металлических деталей, изучать кристаллы, получать изображения органов и тканей. Но во всех этих случаях аппарат делает примерно то же, что и установка Рентгена в ноябре 1895 года: регистрирует невидимое излучение и превращает его взаимодействие с окружающим миром в информацию, которую человек способен прочитать.