Для медицинского мира лучи Рентгена были чудом, которое следовало немедленно поставить на службу диагностике. Для мира физики в тот момент гораздо важнее было объяснение самого явления, нежели его применение. Поиски этого объяснения и явились впоследствии первым прыжком в атомный и субатомный мир.
Чудесные лучи, открытые Рентгеном, имели уже по крайней мере сорокалетнюю историю в европейской науке. В 1863 году французский физик Массон направил электрическую искру высокого напряжения на стеклянный сосуд, из которого был выкачан почти весь воздух. Сосуд внезапно наполнился ярким неземным пурпурным свечением.
В 60-е и 70-е годы прошлого века Гитторф и Крукс[26] продолжили изучение этого необычного явления. Изобретение совершенного вакуумного насоса, помогшего Эдисону создать лампочку накаливания, дало также возможность Круксу наблюдать таинственное зарево в вакууме при все уменьшающемся давлении. Характер свечения менялся при уменьшении давления в сосуде сначала до одной сотой, а потом и до одной тысячной атмосферы. Оно сначала стало еще ярче, затем рассыпалось на отдельные сгустки света и, наконец, потускнело и совсем исчезло. Когда в сосуде создавался достаточно большой вакуум, свечение пропадало, но зато стеклянные стенки сосуда начинали излучать призрачный зеленоватый свет.
Трубка Крукса по форме напоминала большую грушу, на обоих концах которой он впаял металлические пластинки. Крукс установил, что свечение в трубке объясняется прохождением лучей через вакуум между двумя металлическими дисками — электродами, когда металлические пластинки соединяли с источником высокого напряжения. Лучи назвали катодными лучами, а сосуд — катодной лучевой трубкой.
Крукс также заметил, что таинственные лучи, казалось, имеют массу и скорость. Однако природы этих лучей он не понимал и считал их «четвертым состоянием материи», в отличие от жидкого, газообразного и твердого.
В дальнейшем установили, что катодные лучи имеют электрическую природу, так как магнит, поднесенный к трубке, отклонял поток лучей. Так же действовал на них и электрический ток. Другие исследователи доказали, что катодные лучи можно направить за пределы трубки, если поставить на их пути тонкую пластинку из алюминиевой фольги. Однако в воздухе катодные лучи распространялись на очень небольшое расстояние.
Некоторые физики полагали, что «четвертое состояние материи» было не чем иным, как таинственной эктоплазмой, описанной спиритами. На время резко возрос спрос на духов.
Осенью 1895 года Конрад фон Рентген проводил опыты с трубкой Крукса, плотно завернутой в черную бумагу, чтобы излучение не вырвалось наружу. Совершенно случайно он заметил, что в темной комнате «бумажный экран, промытый цианидом платины и бария, ярко загорается и флуоресцирует, независимо от того, обработанная или же обратная сторона экрана обращена к разрядной трубке».
Бумажный экран помещался на расстоянии почти в 6 футов от аппарата. Рентген знал, что катодные лучи заставляют флуоресцировать обработанный этим раствором экран, но на такое расстояние катодные лучи никогда не проникали! Он обнаружил вскоре, что все вещества в той или иной степени проницаемы для этих таинственных новых лучей. Только свинец оказался непрозрачным для них.
Рентген заметил также, что лучи эти засвечивали сухие фотопластинки и пленку, и это позволяло применять лучи для фотосъемки. Он добрался и до источника лучей. Они возникали в том месте на поверхности стекла, на которое падали катодные лучи при высоком напряжении. Рентген тогда заявил, что новые лучи можно получить, направив катодные лучи на твердое тело. Чтобы подтвердить это, он сконструировал трубку, излучавшую более интенсивный поток новых лучей, которым за неимением лучшего он дал название «икс-лучи» (X — неизвестное).
— Уже через несколько месяцев после сообщения Рентгена его трубка нашла разнообразное применение в медицине для обследования переломов, глубоких ранений и внутреннего строения человеческого тела.
Научные журналы ведущих стран были заполнены статьями физиков, повторявших опыты Рентгена и каждый раз по-новому объяснявших это явление. Сам Рентген все еще не понимал сущности своего открытия и говорил, что это «продольные вибрации в эфире».
Открытие Рентгена заставило многих физиков более тщательно исследовать явление флуоресценции.
Радиоактивность и фотоэлектрический эффект
Месяц спустя Анри Беккерель поставил опыт, исследуя флуоресцирующие свойства двойного сульфата урана и калия. Когда некоторые вещества, после того как их подержали на свету, начинали светиться в темноте, про них говорили, что они флуоресцируют. Было известно множество таких веществ, и одним из них был примененный Беккерелем уран.
В эксперименте Беккереля урановая соль сначала подвергалась действию солнечного света, а потом измерялись ее флуоресцирующие свойства. Как-то испортилась погода, и Беккерель отложил препарат в сторону на несколько дней. Совершенно случайно соль оказалась в одном ящике стола с горкой фотографических пластинок. Второй случайностью было то, что Беккерель решил проверить фотопластинки перед возобновлением опыта.
Он проявил первую пластинку, лежавшую сверху, и, к своему удивлению, обнаружил, что она засвечена, причем засвеченное пятно имело такую форму, словно что-то отбрасывало при засвечивании тень на пластинку. Ища объяснение, Беккерель обнаружил, что если рассматривать пятно с некоторой долей воображения, оно начинает напоминать по форме металлический диск, в котором хранилась урановая соль. Случись это раньше, Беккерель выбросил бы пластинку и забыл про нее. Но шум вокруг икс-лучей заставил всех физиков насторожиться. Беккерель решил разобраться в происшедшем до конца.
Он вновь выставил урановую соль на солнечный свет, а потом поместил ее в темный ящик стола поверх фотопластинки, завернутой в черную бумагу. И снова урановый сульфат засветил пластинку.
В течение нескольких месяцев Беккерелю казалось, что для того, чтобы засветить пластинку, сульфат урана нужно предварительно подержать в солнечных лучах.
Но вскоре он обнаружил, что препарат уранового сульфата и не будучи подвержен действию солнечного света, засвечивает фотопластинку с не меньшей интенсивностью. Явление казалось таинственным, непостижимым. Затем Беккерель открыл, что чистый уран, не являвшийся флуоресцирующим веществом, производит еще более сильное действие на фотопластинку, чем урановое соединение, так что флуоресценцию можно было сбросить со счетов. Далее Беккерель обнаружил, что эти невидимые лучи, испускаемые ураном, обладали свойством разряжать тела, несущие электрический заряд. То же свойство открыл Рентген и у икс-лучей. Беккерель назвал это неизвестное до той поры явление «радиоактивностью».
Лучи Беккереля (их назвали именно так) были столь же удивительны, как и рентгеновские лучи, и вызывали у физиков равный интерес. Два ассистента Беккереля — Пьер Кюри и его жена Мария стали разрабатывать эту проблему. По прошествии некоторого времени они обнаружили, что существуют два других химических элемента с теми же свойствами. Оба они не были ранее известны науке. Один из них был назван полонием — в честь родины г-жи Кюри, другой — радием.
Казалось, что великие классические теории физики потрясены до самого основания. Физики полагали, что икс-лучи опровергают законы Максвелла, но потом Рентген доказал, что они не противоречат эфирной теории, так как обладают нормальными оптическими свойствами — отражением, рефракцией и интерференцией. Явление радиоактивности, замеченное Беккерелем, казалось, означало конец красивой теории сохранения энергии. Каким образом вещество без устали вырабатывает энергию, по всей очевидности, никак не пополняя ее запасов?
Любопытное открытие было сделано в 1887 году. Генрих Герц обнаружил, что ультрафиолетовый свет, падая на электрод, который присоединен к цепи с высоким напряжением, заставляет искру отскакивать значительно дальше. Дж. Дж. Томсон доказал, что это происходит из-за того, что ультрафиолетовый свет создает на поверхности металла отрицательный заряд. Явление получило название «фотоэлектрический эффект».
Открытие икс-лучей заставило физиков не только пристальнее присмотреться к явлению флуоресценции, но и побудило их вернуться к природе катодных лучей. Существовали две точки зрения. Немецкие ученые полагали, что катодные лучи в трубке представляют собой вибрации в эфире. Английские физики склонны были считать эти лучи заряженными электричеством частицами, как это предсказывал Бенджамен Франклин. Выдающимся выразителем английской школы был Дж. Дж. Томсон.
В 1897 году Томсон опубликовал классическую статью под названием «Катодные лучи», в которой он сделал обзор всех опытов с катодными лучами. Статья включала также описание некоторых из его собственных опытов. Он пришел к выводу, что катодный луч — это на самом деле поток движущихся при высоком напряжении отрицательно заряженных частиц гораздо меньшего размера, чем самый малый атом. Используя предложенное Стони название, Томсон дал этой частице имя «электрон». Он утверждал, что фотоэлектрический эффект есть не что иное, как выбивание этих электронов из металлической поверхности лучом ультрафиолетового света. Томсон настаивал и на том, что электрон был также составной частью лучей Беккереля.
