В 1895 г. Вильгельм Конрад Рентген, много и упорно экспериментировавший с катодными трубками, обнаружил в процессе опытов, что экран с платипосинеродистым барием, находившийся вблизи трубок, начал светиться. Свечение имело место и в том случае, если трубка была тщательно закрыта черным картоном. Поскольку свечение прекращалось, когда между трубкой и экраном помещались поглощающие предметы, то можно было заключить, что излучение исходит из трубки. В декабре 1895 г. и в марте 1896 г. Рентген опубликовал статьи «О новом виде лучей», где рассказал о своих опытах. Он писал: «Если разряжать довольно большую индукционную катушку через катодно-лучевую трубку… которая хорошо откачана и прикрыта тонким черным картоном, и если всю аппаратуру разместить в совершенно темной комнате, то при каждом разряде на экран из бумаги, покрытой платиносинеродистым барием, наблюдается яркая вспышка… Свечение заметно даже в том случае, когда экран находится на расстоянии двух метров от аппаратуры…».
Это излучение Рентген назвал «икс-лучами», подчеркнув таким образом, что происхождение его неизвестно.
Рентген описал ряд материалов, оказавшихся прозрачными для открытых им лучей. Свинцовое стекло сравнительно непрозрачно. Мышечная ткань прозрачнее костной. Большинство металлов толщиной в несколько миллиметров непрозрачны для икс-лучей. Рентген обнаружил, что платипосинеродистый барий не является единственным соединением, которое светится под действием открытых им лучей. Он пытался обнаружить преломление этих лучей и измерить их коэффициент преломления в различного рода призмах. Попытки его не увенчались успехом. Ему не удалось также обнаружить интерференцию рентгеновских лучей и их отклонение в магнитном поле.
«Если поставить вопрос,— писал Рентген,— чем собственно являются Х-лучи (катодными лучами они быть не могут), то, судя по их интенсивному химическому действию и флуоресценции, их можно отнести к ультрафиолетовому свету. Но в таком случае мы сейчас же сталкиваемся с серьезными препятствиями… нужно было принять, что эти ультрафиолетовые лучи ведут себя совсем иначе, чем известные до сих пор инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые лучи… Не должны ли новые лучи быть приписаны продольным колебаниям в эфире? Я должен признаться, что все больше склоняюсь к этому мнению…».
Рентген нашел, что открытые им лучи способны вызывать почернение фотографической пластинки и потерю заряда электроскопа вследствие ионизации воздуха. Было несомненно, что рентгеновские лучи не являются потоком заряженных материальных частиц — катодных или каналовых положительных лучей, поскольку они не отклоняются ни электрическим, ни магнитным полем. В то же время их нельзя было считать и электромагнитными возмущениями, поскольку тогда не были обнаружены преломление, интерференция и дифракция рентгеновских лучей.
Рентген также обнаружил, что лучи исходят от участка трубки, который бомбардируется катодными частицами. Чтобы сконцентрировать пучок катодных лучей в одно место, Рентген сделал катод вогнутым. Он ввел в свои трубки пластинку из платины, на которой собирался пучок катодных лучей.
Поглощение рентгеновских лучей.
Одной из особенностей рентгеновских лучей является их способность проникать через непрозрачные для обычного света вещества. Рентген наблюдал свечение флуоресцирующего экрана, когда между источником лучей и экраном находится слой исследуемого вещества. Он обнаружил, что черная бумага поглощает икс-лучи значительно слабее, чем стекло такой же толщины. Тонкий листок алюминия, непрозрачный для света, их пропускает. Прозрачное для света свинцовое стекло почти полностью их поглощает. Рентген установил, что поглощение икс-лучей не связано с прозрачностью для световых лучей. Он установил также, что способность вещества поглощать икс-лучи возрастает с плотностью поглощаемого вещества и что поглощаемость лучей одним и тем же веществом зависит от условий получения лучей. Сильно поглощаемые лучи были названы мягкими, а слабо поглощаемые — жесткими. Чем больше разность потенциалов между анодом и катодом, тем жестче рентгеновские лучи.
«В двух коротких заметках,— писал А. Зоммерфельд,— предложенных Рентгеном в декабре 1895 г. и в марте 1896 г. Вюрцбургскому физико-медицинскому обществу, изложены все существенные свойства нового вида излучения: действие на фотографическую пластину и па флуоресцирующий экран, прямолинейное распространение, отсутствие отражения и преломления, так же как и заметного отклонения от указанной прямолинейности распространения, возникновение вторичных лучей с металлической поверхности, облученной первичными, отсутствие отклонения X-лучей магнитами, различная поглощаемость в разных материалах, примерно, но неточно соответствующая их плотности, электропроводность облученного Х-лучами воздуха и вызванные этим явления электрического разряда, сравнительное обогащение рентгеновских лучей жесткой компонентой при их многократной абсорбции, непригодность закона косинуса Ламберта для излучения с антикатода и т. д.
В 1900—1902 гг. Бруке и Блондло нашли, что рентгеновское излучение распространяется со скоростью, близкой к скорости света. В 1906, 1908, 1909 гг. Э. Маркс, Д. Франк и Р. Поль в пределах ошибок не очень точных методов показали, что скорость рентгеновских лучей равна скорости света.
Интерференция и дифракция рентгеновских лучей
Ввиду малости длины волны рентгеновских лучей явления интерференции и дифракции не могли быть получены обычными способами. Длина волны световых лучей в 104 раз больше длины рентгеновских лучей. Рентген предполагал, что открытые им лучи обладают волновой природой, и стремился доказать это способом, применяемым в отношении видимого света. Его усилия не привели к положительному результату. Хага и Винд пропускали рентгеновские лучи через очень узкую щель размером несколько тысячных долей миллиметра на широком конце V-образной щели.
На фотопластинке, помещенной сзади щели, наблюдали уширение пучка рентгеновских лучей, проходящих через узкие участки щели. В 1909 г. Вальтер и Поль выполнили такой же опыт, не получив определенного доказательства наличия дифракции. В 1912 г. Зоммерфельд пересчитал полученные результаты приведенных опытов. Он заключил, что жесткие рентгеновские лучи должны иметь длину волны 4x 10-9 см.
Об этом периоде Макс Лауз писал: «Эта дифракция была фотометрически исследована первым ассистентом Рентгена П. Кохом. Зоммерфельд с успехом применил относящуюся сюда теорию дифракции и смог получить среднее значение длины волны, правда, грубое, но до сих применяемое… Таким образом, я жил там в атмосфере, насыщенной вопросами о природе рентгеновских лучей». В феврале 1912 г. П. Эвальд обратился к Лауэ по вопросу о поведении световых воля в пространственной решетке из поляризующихся атомов. При обсуждении этого вопроса Лауэ пришла в голову мысль, что если атомы образуют пространственные решетки, то должны наблюдаться явления интерференции, подобные световой интерференции.
В феврале 1912 г. два ученика Рентгена, Фридрих и Книппинг, предприняли, по предложению Лауэ, опыты по дифракции рентгеновских лучей па кристаллической решетке. Опыт состоял в следующем. При помощи ряда свинцовых диафрагм выделяли узкий пучок рентгеновских лучей. Этот пучок падал на тонкий кристалл цинковой обманки (ZnS). Пройдя сквозь кристалл, рентгеновские лучи попадали на фотопластину. Пластинка была поставлена перпендикулярно начальному направлению лучей. На пластинке, после проявления, получалось интенсивное центральное пятно и ряд правильно расположенных пятнышек. Было наглядно доказано, что кристаллы являются подходящей дифракционной решеткой для рентгеновских лучей. Это открытие, с одной стороны, позволило исследовать структуру многих кристаллов, с другой — можно было исследовать с большей точностью спектры рентгеновских лучей.
Радиоактивность
Открытие Рентгеном нового вида лучей вызвало необычный интерес во многих странах мира. В Париже статья Рентгена, опубликованная в декабре 1895 г., стала уже многим известна в январе 1896 г. Анри Пуанкаре, французский математик, астроном и физик, демонстрировал на заседании Парижской академии наук фотографии, присланные ему Рентгеном. Он высказал при этом догадку, что фосфоресценция, вызванная причинами, отличными от удара катодных лучей о препятствия, также способна вызывать рентгеновское излучение. Эта неоправдавшаяся догадка Пуанкаре была обусловлена тем, что рентгеновские трубки того времени не имели антикатода. Источником лучей Рентгена была стеклянная стенка трубки, флюоресцирующая под ударами катодпых лучей, и было естественно ставить вопрос, не всегда ли флуоресценция сопровождается испусканием рентгеновских лучей.
Опыты Рентгена вызвали также большой интерес у Анри Беккереля, много и упорно занимавшегося фосфоресценцией — свечением, продолжающимся значительное время после прекращения возбуждения. В своей Нобелевской речи, произнесенной в Стокгольме 11 декабря 1903 г. Анри Беккерель сказал, что в начале 1896 г., «в тот самый день, когда в Париже стало известно об опытах Рентгена и о необычайных свойствах лучей, испускаемых фосфоресцирующими стенками круксовых трубок, я задумал исследовать, не испускает ли такие же лучи и всякое другое фосфоресцирующее вещество. Опыт не подтвердил этого предположения, но во время моих исследований я столкнулся с неожиданным явлением…»
Беккерель произвел следующий опыт. Фотографическая пластинка с броможелатинной эмульсией была завернута в двойной слой черной бумаги. Плоский кристалл сернокислой соли урана и калия был положен сверху. Все это было выставлено на несколько часов на свет. Когда пластинку проявили, на ней был обнаружен черный отпечаток фосфоресцирующего кристалла.
Поместив между фосфоресцирующим веществом и бумагой монеты, Беккерель обнаружил на пластинке их изображение. Он заключил, что взятое им фосфоресцирующее вещество испускает излучение, проникающее через светонепроницаемую бумагу. Это излучение действует на соли серебра. Свое сообщение «Об излучениях, производимых фосфоресценцией» он опубликовал 24 февраля 1896 г.
2 марта 1896 г. в статье «О невидимых излучениях, испускаемых фосфоресцирующими телами» он, на основе вновь проведенных опытов, писал, что эти излучения, действие которых очень сходно с рентгеновским излучением, представляют собой невидимые лучи, «испускаемые путем фосфоресценции, по с продолжительностью бесконечно большей, чем продолжительность свечения фосфоресцирующих тел». В том же году он нашел, что эти невидимые лучи обладают способностью разряжать наэлектризованные тела. Это привело к новому методу изучения открытых лучей.
Дальнейшие опыты обнаружили, что наблюдаемые Беккерелем явления не связаны с флуоресценцией. На фотопластинку действовали и флуоресцирующие, и не флуоресцирующие соединения. Впоследствии он пришел к выводу, что наблюдаемое излучение связано с присутствием элемента урана. Путь от открытия к его правильной интерпретации был пройден самим Беккерелем.
Присутствие урана в рудах было распознано уже в конце XVIII в., но выделить его оказалось задачей весьма сложной. В 1896 г. Муассон получил уран и исследовал его свойства. Это позволило Беккерелю проводить опыты и с металлическим ураном. В дальнейшем Беккерель убедился, что излучение солей урана не зависит ни от светового, ни от электрического, ни от теплового возбуждения. Все соли урана, каково бы ни было их происхождение, давали излучение одного и того же характера, присущее атомам элемента урана.
После того как Беккерель установил, что источником открытых им лучей является уран, естественно возник вопрос о том, не существуют ли другие химические элементы, обладающие такими же свойствами. В 1898 г. открытие Беккереля привлекло к себе внимание Г. Шмидта в Германии и М. Кюри во Франции. Через год М. Кюри описала свои опыты: «Я испытала на своем приборе различные минералы; некоторые из них оказались радиоактивными, в том числе урановая смоляная обманка, хальколит, отенит, клевеит, монацит, франжит, торит, фергусонит и т. д. Все эти минералы содержат или уран, или торий. Их активность носит, следовательно, природный характер, однако степень этой активности у некоторых минералов оказалась неожиданной…».
Встречались такие куски урановой смоляной обманки, которые были в три раза активнее чистого урана. Было известно, однако, что металлический уран активнее, чем его чистые соединения. У М. Кюри появилась уверенность, что активность урановой смоляной обманки вызывается присутствием тория. Пьер и Мария Кюри посвятили себя поискам тория в урановой смоляной обманке. Они пришли к заключению, что наблюдаемая высокая активность вызывается присутствием весьма незначительных количеств вещества, отличного от урана и тория. «Вскоре,— пишет М. Кюри,— мы смогли убедиться, что радиоактивность сконцентрирована в двух различных химических фракциях; нам удалось установить наличие в урановой смоляной обманке по меньшей мере двух новых радиоактивных элементов: полония и радия. Мы сообщили об открытии полония в июле 1898 г., об открытии радия — в декабре того же года. (Последнее сообщение было сделано вместе с Гюставом Бемопом, который принимал участие в наших опытах.)». К этому же времени теория радиоактивности обогатилась выдающимися исследованиями Резерфорда.