Глазами физика

Название рентгеновских лучей (по-английски они называются X-rays) звучит довольно экзотически, ведь в его основу легла буква, обозначающая нечто неизвестное (как «икс» в уравнении). На самом деле это обычные фотоны – электромагнитное излучение, – составляющие часть невидимого человеческому глазу электромагнитного спектра и находящиеся в нем между ультрафиолетовым светом и гамма-лучами. На многих других языках мира они называются рентгеновскими лучами, в честь немецкого физика Рентгена, который обнаружил их в 1895 году. Мы различаем их так же, как и других обитателей этого спектра, тремя разными, но взаимосвязанными способами: по частоте (число циклов в секунду, выраженное в герцах), длине волны (длина отдельной волны в метрах, в данном случае в нанометрах) или уровню энергии (измеряется в электрон-вольтах, эВ, или в килоэлектрон-вольтах, кэВ).

Вот некоторые данные для общего представления. Длина волны зеленого света около 500 миллиардных метра, или 500 нанометров, а энергия – около 2,5 электрон-вольта. Минимальная энергия фотона рентгеновского излучения равна около 100 эВ, что в 40 раз больше энергии фотона зеленого света, а длина волны – приблизительно 12 нанометров. Наиболее высокоэнергетические рентгеновские лучи имеют энергию примерно 100 кэВ и длину волны около 0,012 нанометра. (Ваш стоматолог использует рентгеновские лучи с энергией фотонов до 50 кэВ). На другом конце электромагнитного спектра находятся радиостанции, работающие в AM-полосе, между 520 килогерцами (длина волны – 577 метра) и 1710 килогерцами (длина волны – 175 метров, то есть почти две длины футбольного поля). Их энергия в миллиард раз меньше энергии зеленого света и в триллион раз меньше энергии рентгеновского излучения.

Природа создает рентгеновские лучи различными способами. Большинство радиоактивных атомов испускают их естественным образом в процессе ядерного распада. Происходит это при спрыгивании электронов с более высокого энергетического состояния в более низкое; разница в энергии излучается в виде фотона рентгеновского излучения. У таких фотонов очень точные, дискретные значения энергии, поскольку энергетические уровни электронов квантованы. Иногда, проходя мимо атомных ядер с очень высокими скоростями, электроны меняют направление и испускают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей. Мы называем этот вид рентгеновского излучения, чрезвычайно распространенного в астрономии, а также обязательного компонента любой медицинской или стоматологической рентгеновской установки, «тормозным излучением». Интересные и полезные анимированные видео, описывающие процесс появления этого типа рентгеновского излучения, можно посмотреть по адресу: www.youtube.com/watch?v=3fe6rHnhkuY. Хотя рентгеновские лучи с дискретными значениями энергий могут генерироваться и некоторыми видами медицинской рентгеновской аппаратуры, в общем и целом в них доминирует тормозное излучение, которое производит непрерывный спектр рентгеновского излучения. Когда высокоэнергичные электроны движутся по спирали вокруг силовых линий магнитного поля, направление их скорости все время меняется, поэтому они также излучают часть своей энергии в виде рентгеновских лучей; мы называем это излучение синхротронным, или магнитотормозным (именно оно имеет место в Крабовидной туманности – но об этом чуть позже).

Природа также создает рентгеновские лучи, нагревая плотную материю до чрезвычайно высоких температур, миллионов градусов по шкале Кельвина. Мы называем это излучением абсолютно черного тела (см. главу 14). Материя нагревается так сильно только в очень экстремальных условиях – например, во время вспышки сверхновых, весьма эффектного смертельного взрыва некоторых массивных звезд, – или когда газ падает на очень высоких скоростях в направлении черной дыры или нейтронной звезды (подробнее об этом я расскажу в главе 13, обещаю!). Солнце, кстати, с его температурой поверхности около 6000 градусов Кельвина, излучает чуть меньше половины своей энергии (46 процентов) в форме видимого света. Львиная доля остальной энергии излучается в форме инфракрасного (49 процентов) и ультрафиолетового (5 процентов) излучения, которое недостаточно горячо, чтобы испускать рентгеновские лучи. Солнце также испускает некоторые рентгеновские лучи; их физика до конца не изучена, но энергия в виде рентгеновского излучения составляет лишь около одной миллионной от общего количества излучаемой им энергии. Кстати, ваше собственное тело – тоже источник инфракрасного излучения (см. главу 9), просто оно недостаточно горячее, чтобы излучать видимый свет.