Уолтер Левин - Глазами физика. От края радуги к границе времени

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.

Одним из самых интересных и полезных свойств рентгеновских лучей является то, что некоторые виды материи, например наши кости, поглощают их сильнее других, скажем мягких тканей. Поэтому-то рентгеновский снимок рта или кисти состоит из светлых и темных зон. Если вы когда-нибудь делали рентген, то знаете, что перед этим на человека надевают специальный фартук для защиты остальных частей тела, поскольку воздействие рентгеновских лучей повышает риск развития онкологических заболеваний. Так что, можно считать, нам очень повезло, что атмосфера нашей планеты столь эффективно поглощает рентгеновские лучи. На уровне моря около 99 процентов низкоэнергетического рентгеновского излучения (1 кэВ) поглощается всего лишь одним сантиметром воздуха. Для поглощения 99 процентов рентгеновских лучей в 5 кэВ потребуется уже около 80 сантиметров воздуха. А для поглощения той же доли рентгеновских лучей высоких энергий – 25 кэВ – необходим слой воздуха почти 80 метров.

Теперь-то вы, конечно, понимаете, почему в 1959 году, когда Бруно Росси пришла в голову идея заняться поисками рентгеновских лучей из космоса, он предложил использовать ракету, которая смогла бы выйти за пределы земной атмосферы. Но тогда даже сама идея поиска рентгеновских лучей казалась дикой. У ученых не было никаких разумных теоретических оснований считать, что есть рентгеновские лучи, поступающие из-за пределов Солнечной системы. Но Росси не был бы Росси, если бы не убедил своего бывшего студента Мартина Энниса из American Science and Engineering (AS&E) и одного из его сотрудников по имени Риккардо Джаккони в том, что эта идея заслуживает внимания.