Невидимый современник

Был ли рад Вильгельм Конрад Рентген своему открытию? Трудно сказать. Во всяком случае, к потоку работ об X-лучах, о поисках других невидимых лучей он относился очень скептически. В какой-то мере он был прав. Большинство сообщений о новых лучах оказывалось ошибочным. Поэтому и к радиоактивности Рентген вначале отнесся весьма холодно и осторожно. Однако работа Беккереля открыла в науке целую эпоху.

Радиоактивности повезло. За ее изучение взялись крупнейшие ученые. Сам Беккерель был первоклассным ученым. Но на первых же страницах истории радиоактивности мы встречаем сразу несколько титанов. Пьер Кюри… Чаще всего говорят о «супругах Кюри» и говорят в связи с открытием радия. Но если бы Пьер вообще не занимался радиоактивностью, имя его навсегда сохранилось бы в истории физики. Сенсационность открытия радия заслонила для широкой публики его блестящие работы по магнетизму и другим проблемам. Мария Склодовская-Кюри… Эрнст Резерфорд…

В такой компании радиоактивность очень быстро стала раскрывать свои тайны. Оказалось, что радиоактивен не только уран, но и торий, а также несколько других элементов, ранее неизвестных химикам.

Вскоре Резерфорд в простых и убедительных опытах показал, что излучение, открытое Беккерелем, неоднородно. При помещении в магнитное поле пучок расщеплялся на три части. Одна из них отклонялась к северному полюсу, другая — к южному, на третью магнит не действовал. Так родились три брата рентгеновых лучей: альфа-, бета- и гамма-лучи. Забегая несколько вперед, скажем, что все интересующие нас лучи представляют собой поток быстро летящих частиц, которые могут быть заряженными или нейтральными, иметь или не иметь массу.

Долгое время к четырем упомянутым типам лучей ничего не добавлялось. Только незадолго до войны обнаружили нейтроны. Но послевоенное развитие ядерной физики прорвало плотину. Были открыты десятки элементарных частиц, созданы могучие ускорители, с помощью которых можно ускорить, по крайней мере в принципе, частицы любого вещества.

После того как мы подробно разобрались в происхождении рентгеновых лучей и их взаимодействии с веществом, обо всех остальных ионизирующих лучах остается сказать лишь несколько слов, так как в их свойствах очень много общего.

Начнем с радиоактивности, с альфа-, бета- и гамма-лучей. Все эти лучи образуются при самопроизвольном превращении одних элементов в другие, и местом их рождения является атомное ядро.

Гамма-лучи по своей физической природе абсолютно ничем не отличаются от уже знакомых нам рентгеновых лучей. Разнятся они лишь названием и происхождением: гамма-лучи возникают при ядерных реакциях, а рентгеновы получают искусственно. Раньше иногда еще говорили, что гамма-лучи обладают большей энергией, чем рентгеновы. Но теперь это было бы неверно. С помощью ускорителей можно получать рентгеновы лучи с большей энергией квантов, чем у гамма-лучей, а при некоторых ядерных реакциях возникают гамма-лучи с довольно низкими энергиями.

Лучи с более высокой энергией (жесткие) лучше проникают в вещество, чем с более низкой (мягкие). Соответственно и средняя энергия вторичных электронов и длина их пробега у жестких лучей оказывается выше. Ионизации вдоль треков таких электронов расположены гораздо реже. А для очень мягких лучей весь трек состоит из весьма короткого, но густого «хвоста».

С бета-лучами еще проще, потому что это поток электронов. А как взаимодействуют электроны с веществом, уже говорилось в связи с рентгеновыми лучами. Кстати, и катодные лучи, работа с которыми привела Рентгена к его открытию, не что иное, как поток электронов. При желании их можно называть искусственными бета-лучами (хотя это и не принято). Конечно, и катодные лучи относятся к семейству ионизирующих и по своему действию на вещество ничем не отличаются от бета-лучей или вторичных электронов, образующихся в веществе при облучении рентгеновыми или гамма-лучами.

Альфа-лучи, так же как и бета-лучи, представляют собой поток заряженных частиц. Следовательно, они также производят ионизацию сами, а не с помощью вторичных частиц, как рентгеновы и гамма-лучи. В отличие от бета-частиц заряжены они не отрицательно, а положительно, и масса их примерно в восемь тысяч раз больше. Альфа-частицы — это заряженные ядра гелия — одного из легких элементов, который образуется при радиоактивном распаде. А раз масса альфа-частиц велика, значит движутся они через вещество медленно. Длина пробега их совсем мала, но зато ионизации вдоль трека расположены так часто, что создают почти сплошной столб.

Как видите, с естественными радиоактивными излучениями разобраться не сложно. Но в нашу атомную эпоху создали еще и искусственную радиоактивность, построили установки, где можно получать новые виды лучей, открыли множество элементарных частиц…

Мы не будем сколько-нибудь подробно разбирать свойства всех возможных ионизирующих излучений, не станем их даже перечислять. И не только потому, что механизм их действия на вещество в общем-то одинаков, но и потому, что более или менее широко в радиобиологии применяются лишь немногие из них. Но о чем нам обязательно нужно рассказать, о нейтронах. Своеобразен не только механизм их взаимодействия с веществом, но и их биологическое действие.

Нейтроны — тоже тяжелые частицы, они лишь в четыре раза легче альфа-частиц, но в отличие от альфа- и бета-частиц, не несут никакого электрического заряда. Следовательно, сами по себе нейтроны ионизацию производить не могут. С другой стороны, из-за отсутствия заряда они очень глубоко проникают внутрь вещества. Для них, как для электромагнитных излучений (рентгеновы и гамма-лучи), тоже не имеющих заряда, теоретически нет никаких преград: любой слой любого вещества может только в большей или меньшей степени ослабить их поток.

Нейтроны различаются по энергии. Но если для других излучений энергия определяла лишь количественные различия (большая длина пути, менее густая ионизация), то в случае нейтронов различия в энергии принципиальны.

Если подбирать сравнения из далекого детства, из тех времен, когда главное удовольствие для мальчишки заключается в том, чтобы стрелять, швырять, попадать, то быстрые нейтроны (нейтроны высоких энергий) можно сравнить с камнями, а медленные — со снежками. Если первые бьют по цели, то вторые чаще всего прилипают к ней.

Быстрые нейтроны, проходя через вещество, время от времени сталкиваются с атомными ядрами. Большинство ядер значительно тяжелее нейтронов. В результате столкновения ядро лишь слегка вздрагивает, а нейтрон отскакивает и летит в другом направлении. Но совершенно особый случай — ядро водорода. Масса его почти такая же, как и у нейтрона. Поэтому, если быстрый нейтрон сталкивается с ядром водорода, то для последнего удар оказывается весьма чувствительным. Оно не может удержаться на месте и отлетает на довольно большое расстояние. Впрочем, лучше говорить не «оно», то есть ядро, а «он» — протон, так как ядро водорода состоит из одного-единственного протона.

Такие протоны, выбиваемые быстрыми нейтронами, называют протонами отдачи. Протон — заряженная частица, и вдоль своего пути он создает ионизации. Густота ионизаций оказывается хотя и не такой большой, как у альфа-частиц, но гораздо более высокой, чем у всех остальных излучений, с которыми мы успели познакомиться.

Медленные нейтроны, которые я попробовал сравнить со снежками, во время своего путешествия в недрах вещества захватываются атомными ядрами, как бы прилипают к ним. В результате, как правило, образуются неустойчивые ядра, что приводит к ядерным реакциям, сопровождаемым излучением. Реакции идут разные, поэтому и излучение оказывается смешанным.

Глава II

Потомок великого Моурави