Беседы о рентгеновских лучах (второе издание) - Павел Власов

Лазерное излучение монохромно, как сказал бы художник, или монохроматично, как поправил бы физик. Согласимся и поспорим с обоими: оно действительно одноцветно (от «моно» — «единый» и «хрома» — «окраска»), но так или иначе это не вполне корректно, как заметил бы математик. Оно ведь может быть невидимым (скажем, инфракрасным).

Вот почему в таких случаях говорят: излучение характеризуется одной частотой. И опять-таки это не вполне точно. Ему на спектре соответствует не линия, а полоска, правда, сравнительно узкая. Примерно так же, как на шкале радиоприемника каждой станции отведен свой мини-диапазон пусть небольшой, но уловимой ширины.

Лишь после таких оговорок можно, наконец, сказать главное. В 1961 году выяснилось, что лазерное излучение способно удваивать свою частоту, проходя «через некоторые специально подобранные кристаллы».

Иными словами, вдвое укорачивать свою волну. Вскоре обнаружилось, что сократить ее длину можно и втрое и вчетверо…

Один из самых мощных лазеров — неодимовый.

Он работает на волне 1,06·10-4 сантиметра. Если ее уменьшить вдвое (до 0,53·10-4 сантиметра), незримая радиация (инфракрасная) превратится в видимую (зеленую). А если втрое (до 0,35·10-4 сантиметра), — то в ультрафиолетовую.

Между тем возможно гораздо большее сокращение.

Скажем, в 9 раз. Тогда получится 0,12·10-4 (или, что то же самое, 1,2·10-5 сантиметра). А это уже у самой границы с рентгеновским диапазоном, который начинается с 10-5 сантиметра.

Спрашивается: чем плохи обычные рентгеновские кванты, нужны ли еще и лазерные? При такой постановке вопроса придется ответить: рассматриваемые индивидуально, порознь, они ничем не отличаются друг от друга. Иное дело их поток в целом. Вместе взятые в такой компании они отличаются разительно.

Начнем с «одноцветности». Ее не обеспечивают рентгеновские трубки. Их «продукцию» приходится делать менее широкополосной с помощью специальных фильтров-монохроматоров, которые отсекают лишнее по краям, ограничивая остаток обычно пределами от 2·10-8 до 6·10-10 сантиметра. Можно сузить рамки, но это значит, что аппаратура, притом дорогостоящая, будет в еще большей степени работать на «отходы производства», изнашиваясь и потребляя электроэнергию высокого вольтажа Точь-в-точь как токарный станок, когда он снимает стружку в таком количестве, что от громадины-болванки остается фитюлька-заготовка.

И это еще полбеды.

Беда в том, что излучение от обычных источников (не исключая и радиоизотопных) никогда не превзойдет лазерное по своей плотности и остронаправленности. В первом случае кванты разлетаются веером, как дробь при выстреле из охотничьего ружья. Во втором они бьют в цель кучно, словно шрапнель, донесенная до мишени упакованной в пушечное ядро.

Допустим, там и тут одинаковы и калибр (монохроматичность), и количество (первоначальная интенсивность). Все равно качество будет неодинаковым.

В первом случае кванты движутся как бы рыхлой хаотической россыпью, во втором — тесно сомкнутыми рядами, которые до конца напоминают связку прутьев.

Отсюда и различные эффекты.

Можно ли увидеть на Луне «зайчик» от зеркальца, отразившего пламя разом вспыхнувшей коробки спичек? Казалось бы, чушь, не хватит ни дюжины, ни тысячи коробок, зажженных одновременно! Даже если сфокусировать свет от такого костра лучшей оптической системой. Между тем на лазерную локацию нашего естественного спутника затратили столько энергии, сколько выделяется десятком горящих спичек.

Известно, что на советском луноходе был установлен французский уголковый отражатель. Он стал мишенью для квантового генератора, с помощью которого точнее, чем когда-либо, измерено расстояние до Луны.

Световое пятно оказалось достаточно ярким. Именно потому, что его «посадил» концентрированный луч, какого не даст ни один обычный прожектор, даже наимощнейший. Но даст прибор гораздо меньших размеров- лазер. В его вспышке, длящейся триллионную долю секунды, сконденсирована энергия в 100 миллиардов киловатт. Это в тысячи раз больше, чем у крупнейшей в мире электростанции — Красноярской ГЭС (6 миллионов киловатт).

От такого «подмигивания» становится жарко даже тугоплавким металлам и другим жаропрочным материалам. Собственно, их так и долбят теперь, прожигая отверстия нужного диаметра сгустками электромагнитных волн, действующими как бронебойные снаряды, выпускаемые очередями из скорострельной пушки.

Не менее удивительные вещи обнаружились, когда сфокусированное лазерное излучение направили в газовую среду.

Могло почудиться, будто сверкала молния и громыхал гром. С характерным звуком, напоминающим щелканье бича, проскакивала длиннющая, в десятки метров, искра. А в ней возникало миниатюрное подобие тому огненному шару, который образуется при атомном взрыве. Выяснилось: так можно получать термоядерную плазму. Уже достигнуты температуры в 20 миллионов градусов (выше, чем в недрах Солнца).

Они все ближе к тем, которые необходимы, чтобы «пошел термояд», управляемый синтез легких ядер.

Эти и многие другие поразительные эффекты открыты и изучены в Физическом институте Академии наук СССР, где работают «отцы» квантовой радиоэлектроники — академики А. Прохоров и Н. Басов.

Ну а где же все-таки рентгеновская радиация, о которой мы не вправе забывать ни на миг? Ее тоже порождает удар лазерного «копья». Кстати, именно по ее характеристикам измеряются температуры плазменных сгустков, гибельные для любых термометров.

Пробуя в качестве испаряемых мишеней различные вещества, получили необычный источник рентгеновских лучей. Во-первых, сверхкомпактный, практически точечный. Во-вторых, весьма интенсивный: его мощность миллион киловатт! Правда, она опять-таки кратковременна (на миллиардные доли секунды). Впрочем, это может оказаться чрезвычайно полезным. Скажем, в медицине. Именно такие импульсы (огромной силы, но ничтожной длительности) позволяют проводить ювелирную операцию: приваривать отслоившуюся сетчатку на самом дне глаза. Нежный орган зрения нимало не повреждается световым «уколом».

Примеры бескровной хирургии с помощью квантового генератора, как, впрочем, и другие иллюстрации сказочных его возможностей, легко умножить, они ныне широко известны. Между тем до того, как он вышел из лабораторной колыбели, ни о чем подобном даже не помышляли. Думается, столь же трудно представить перспективы, которые откроет такой прибор, работающий в рентгеновской области. Он мог бы привести к еще более неожиданным или более сильным эффектам, чем уже известные. В частности, термическим, которые сегодня шире всех прочих применяются в лазерной технологии (резка, плавка, сварка, пайка и так далее). Если допустить, что его радиацию удастся фокусировать, как у нынешних квантовых генераторе! в игольчатый пучок толщиной с длину собственной волны, кончик его оказался бы во много раз острее, а точечный укол — результативнее. Стало бы более тонким орудие проникновения в живую клетку, которое позволяет воздействовать на отдельные микроструктуры, не затрагивая остальных.

Увеличились бы возможности избирательно влиять на определенные химические связи. И таким образом лучше управлять различными превращениями веществ в человеческом организме, лабораторной колбе или заводском аппарате — реакциями синтеза, разложения, процессами катализа. Особое значение для такой селективности имеет возможность плавно перестраивать частоту. Существующими лазерами этого типа уже перекрыта сплошь довольно значительная полоса спектра, которая становится все шире.

Не исключено, что когда-нибудь к ним примкнут рентгеновские и гамма-квантовые генераторы. А там — кто знает? — появится, может быть, похожий излучатель корпускулярных потоков, столь же плотных, остронаправленных, дальнобойных. Возможность концентрировать их в такой пучок уже обсуждается, правда, пока на уровне гипотезы. Но их предтеча у читателей перед глазами — луч ускорителя: там ведь заряженные частицы собраны в узкий направленный пучок.

Что ж, и частицам в конце концов присуща волнообразность. Разумеется, ярче всего она выражена не у них, а у электромагнитных колебаний радиодиапазона. Но и там она постепенно убывает с ростом частоты — при переходе к инфракрасной области: то же самое — в оптической, ультрафиолетовой…

Ну а жесткие рентгеновские и особенно гамма-кванты напоминают уже скорее корпускулы; недаром они могут регистрироваться по отдельности, единичными импульсами. Так что переход к «настоящим» частицам не есть скачок через некую пропасть. Они ведь те же волны, даром что корпускулы.

Словом, при всех отличиях мы не вправе забывать здесь об огромном сходстве, двуединстве противоположных на первый взгляд начал. Демаркационные линии, нанесенные нами на спектр, весьма и весьма условны. Если бы его оптическую область выделяли не мы, люди, а, допустим, существа с глазами пчел, отлично воспринимающими ультрафиолет, границы видимого на электромагнитной шкале передвинулись бы ближе к рентгеновскому диапазону.