Рент­ге­нов­ские лучи (пер­во­на­чаль­но на­зван­ные Х-лу­ча­ми) были от­кры­ты в 1895 г. не­мец­ким фи­зи­ком Рент­ге­ном. От­крыв Х-лучи, Рент­ген тща­тель­ны­ми опы­та­ми вы­яс­нил усло­вия их об­ра­зо­ва­ния. Он уста­но­вил, что эти лучи воз­ни­ка­ют при тор­мо­же­нии на ве­ще­стве быст­ро ле­тя­щих элек­тро­нов. Ис­хо­дя из этого об­сто­я­тель­ства, Рент­ген скон­стру­и­ро­вал и по­стро­ил спе­ци­аль­ную труб­ку, удоб­ную для по­лу­че­ния рент­ге­нов­ских лучей (см. рис. 1).

Рент­ге­нов­ские труб­ки пред­став­ля­ют собой стек­лян­ные ва­ку­ум­ные бал­ло­ны с рас­по­ло­жен­ны­ми внут­ри элек­тро­да­ми. Раз­ность по­тен­ци­а­лов на элек­тро­дах нужна очень вы­со­кая  — до сотен ки­ло­вольт. На воль­фра­мо­вом ка­то­де, по­до­гре­ва­е­мом током, про­ис­хо­дит тер­мо­элек­трон­ная эмис­сия, то есть с него ис­пус­ка­ют­ся элек­тро­ны, ко­то­рые, уско­ря­ясь элек­три­че­ским полем, «бом­бар­ди­ру­ют» анод. В ре­зуль­та­те вза­и­мо­дей­ствия быст­рых элек­тро­нов с ато­ма­ми анода рож­да­ют­ся фо­то­ны рент­ге­нов­ско­го диа­па­зо­на.

Было уста­нов­ле­но, что чем мень­ше длина волны рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния, тем боль­ше про­ни­ка­ю­щая спо­соб­ность лучей. Рент­ген на­звал лучи с вы­со­кой про­ни­ка­ю­щей спо­соб­но­стью (слабо по­гло­ща­ю­щи­е­ся ве­ще­ством) жёстки­ми.

Раз­ли­ча­ют тор­моз­ное и ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние. Элек­тро­ны могут, встре­ча­ясь с ано­дом, тор­мо­зить­ся, то есть те­рять энер­гию в элек­три­че­ских полях его ато­мов. Эта энер­гия из­лу­ча­ет­ся в виде рент­ге­нов­ских фо­то­нов. Такое из­лу­че­ние на­зы­ва­ет­ся тор­моз­ным. Тор­моз­ное из­лу­че­ние со­дер­жит фо­то­ны раз­ных ча­стот и, со­от­вет­ствен­но, длин волн. По­это­му спектр его яв­ля­ет­ся сплош­ным (не­пре­рыв­ным). Энер­гия из­лу­ча­е­мо­го фо­то­на не может пре­вы­шать ки­не­ти­че­скую энер­гию по­рож­да­ю­ще­го его элек­тро­на. Ки­не­ти­че­ская же энер­гия элек­тро­нов за­ви­сит от при­ло­жен­ной к элек­тро­дам раз­но­сти по­тен­ци­а­лов.

Ме­ха­низм по­лу­че­ния ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го из­лу­че­ния сле­ду­ю­щий. Быст­рый элек­трон может про­ник­нуть внутрь атома и вы­бить какой-либо элек­трон с одной из ниж­них ор­би­та­лей, то есть пе­ре­дать ему энер­гию, до­ста­точ­ную для пре­одо­ле­ния по­тен­ци­аль­но­го ба­рье­ра. Об­ра­зо­вав­ша­я­ся в ре­зуль­та­те вы­би­ва­ния ва­кан­сия за­пол­ня­ет­ся элек­тро­ном с од­но­го из вы­ше­ле­жа­щих уров­ней. За­ни­мая более низ­кий уро­вень, элек­трон из­лу­ча­ет из­ли­шек энер­гии в форме кван­та ха­рак­те­ри­сти­че­ско­го рент­ге­нов­ско­го из­лу­че­ния. Наи­бо­лее быст­рые элек­тро­ны могут вы­бить элек­трон с K-обо­лоч­ки, менее быст­рые  — с L-обо­лоч­ки и т. д. (рис. 2а).

Элек­трон­ная струк­ту­ра атома  — это дис­крет­ный набор воз­мож­ных энер­ге­ти­че­ских со­сто­я­ний элек­тро­нов. По­это­му рент­ге­нов­ские фо­то­ны, из­лу­ча­е­мые в про­цес­се за­ме­ще­ния элек­трон­ных ва­кан­сий, также могут иметь толь­ко стро­го опре­делённые зна­че­ния энер­гии, со­от­вет­ству­ю­щие раз­но­сти уров­ней. Вслед­ствие этого ха­рак­те­ри­сти­че­ское рент­ге­нов­ское из­лу­че­ние об­ла­да­ет спек­тром не сплош­но­го, а ли­ней­ча­то­го вида. Такой спектр поз­во­ля­ет ха­рак­те­ри­зо­вать ве­ще­ство анода  — от­сю­да и на­зва­ние этих лучей. На рис. 2б по­ка­зан ха­рак­те­ри­сти­че­ский спектр на фоне тор­моз­но­го спек­тра.

Во­прос о при­чи­не раз­лич­ной окрас­ки тел за­ни­мал ум че­ло­ве­ка уже давно. Боль­шое зна­че­ние в по­ни­ма­нии этого во­про­са имели ра­бо­ты Нью­то­на (на­чав­ши­е­ся около 1666 г.) по раз­ло­же­нию бе­ло­го света в спектр (см. рис.).

Свет от фо­на­ря осве­ща­ет узкое пря­мо­уголь­ное от­вер­стие S (щель). При по­мо­щи линзы L изоб­ра­же­ние щели по­лу­ча­ет­ся на экра­не MN в виде уз­ко­го бе­ло­го пря­мо­уголь­ни­ка S'. По­ме­стив на пути лучей приз­му Р, об­на­ру­жим, что изоб­ра­же­ние щели сме­стит­ся и пре­вра­тит­ся в окра­шен­ную по­лос­ку, пе­ре­хо­ды цве­тов в ко­то­рой от крас­но­го к фи­о­ле­то­во­му по­доб­ны на­блю­да­е­мым в ра­ду­ге. Это ра­дуж­ное изоб­ра­же­ние Нью­тон на­звал спек­тром.

В таб­ли­це при­ве­де­ны в ка­че­стве при­ме­ра зна­че­ния по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния в за­ви­си­мо­сти от длины волны для двух сор­тов стек­ла и воды.

Цвет окру­жа­ю­щих нас пред­ме­тов может быть раз­лич­ным бла­го­да­ря тому, что све­то­вые волны раз­ной длины в луче бе­ло­го цвета рас­се­и­ва­ют­ся, по­гло­ща­ют­ся и про­пус­ка­ют­ся пред­ме­та­ми по-раз­но­му. Доля све­то­во­го по­то­ка, участ­ву­ю­щая в каж­дом из этих про­цес­сов, опре­де­ля­ет­ся с по­мо­щью со­от­вет­ству­ю­щих ко­эф­фи­ци­ен­тов: от­ра­же­ния ρ, про­пус­ка­ния и по­гло­ще­ния α.

Если, на­при­мер, у ка­ко­го-либо тела для крас­но­го света ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния велик, ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния мал, а для зелёного  — на­о­бо­рот, то это тело будет ка­зать­ся крас­ным в про­хо­дя­щем свете и зелёным в отражённом. Та­ки­ми свой­ства­ми об­ла­да­ет, на­при­мер, хло­ро­филл  — ве­ще­ство, со­дер­жа­ще­е­ся в ли­стьях рас­те­ний и обу­слов­ли­ва­ю­щее их цвет. Рас­твор (вы­тяж­ка) хло­ро­фил­ла в спир­ту ока­зы­ва­ет­ся на про­свет крас­ным, а на от­ра­же­ние  — зелёным.

Для очень бе­ло­го не­про­зрач­но­го тела ко­эф­фи­ци­ент от­ра­же­ния бли­зок к еди­ни­це для всех длин волн, а ко­эф­фи­ци­ен­ты по­гло­ще­ния и про­пус­ка­ния очень малы. Про­зрач­ное стек­ло имеет малые ко­эф­фи­ци­ен­ты от­ра­же­ния и по­гло­ще­ния, а ко­эф­фи­ци­ент про­пус­ка­ния близ­кий к еди­ни­це для всех длин волн.

Раз­ли­чие в зна­че­ни­ях ко­эф­фи­ци­ен­тов и ρ и их за­ви­си­мость от цвета (длины волны) па­да­ю­ще­го света обу­слов­ли­ва­ют чрез­вы­чай­ное раз­но­об­ра­зие в цве­тах и от­тен­ках раз­лич­ных тел.

Про­чи­тай­те текст и вы­пол­ни­те за­да­ния 16, 17 и 18.

Ра­дио­ак­тив­ность ми­не­раль­ных вод была об­на­ру­же­на в на­ча­ле ХХ века, среди пер­во­от­кры­ва­те­лей был Дж. Дж. Том­сон. Ра­дио­ак­тив­ность вод обу­слов­ле­на, в ос­нов­ном, на­ли­чи­ем в них радия (Ra) и рас­творённого газа  — ра­до­на (Rn). За еди­ни­цу ак­тив­но­сти (А), на­зван­ной в честь А. Бек­ке­ре­ля, при­нят один бек­ке­рель (1 Бк), ха­рак­те­ри­зу­ю­щий ак­тив­ность ве­ще­ства, в ко­то­ром за одну се­кун­ду про­ис­хо­дит в сред­нем один ра­дио­ак­тив­ный рас­пад. В слу­чае ис­точ­ни­ков вод ис­поль­зу­ют еди­ни­цы 1 Бк/дм3 = 1 Бк/л.

Наи­бо­лее ра­дио­ак­тив­ные воды вы­хо­дят из гра­нит­ных пород, со­дер­жа­щих за­мет­ное ко­ли­че­ство Ra. Для ме­ди­ци­ны зна­че­ние имеют ра­до­но­вые воды, в ко­то­рых рас­творён ра­дио­ак­тив­ный Rn (пе­ри­од по­лу­рас­па­да 3,82 сут.). Эти воды при­ня­то ха­рак­те­ри­зо­вать по ак­тив­но­сти ра­до­на, см. таб­ли­цу 1.

В на­ча­ле ХХ века опре­де­ле­ние ак­тив­но­сти было ос­но­ва­но на иони­за­ции воз­ду­ха под воз­дей­стви­ем ра­дио­ак­тив­но­го из­лу­че­ния и из­ме­ре­нии ско­ро­сти раз­ряд­ки элек­три­че­ски за­ря­жен­но­го тела вслед­ствие про­во­ди­мо­сти воз­ду­ха. Для этого в за­мкну­тый за­землённый ме­тал­ли­че­ский кон­тей­нер (сосуд) по­ме­ща­ли за­ря­жен­ное тело, со­единённое с элек­тро­мет­ром, и впус­ка­ли, на­при­мер, Rn. При этом по­ка­за­ния элек­тро­мет­ра в те­че­ние пер­вых 3–4 ч воз­рас­та­ли, а затем па­да­ли. Воз­рас­та­ние по­ка­за­ний свя­зы­ва­ли с ра­дио­ак­тив­ным налётом, об­ра­зо­ван­ным твёрдыми про­дук­та­ми рас­па­да Rn:

Пер­вые два шага це­поч­ки со­про­вож­да­ют­ся ис­пус­ка­ни­ем α-ча­сти­цы, ра­до­но­вые воды α-ра­дио­ак­тив­ны. Ослаб­ле­ние ак­тив­но­сти налёта пред­став­ле­но в таб­ли­це 2. За ак­тив­ность ра­до­но­вых вод при­ни­ма­ют ве­ли­чи­ну, из­ме­ря­е­мую при­бо­ром через 3–4 ч после вве­де­ния Rn.

Для опре­де­ле­ния ра­дио­ак­тив­но­сти ми­не­раль­но­го ис­точ­ни­ка либо через из­вест­ный объём воды про­ду­ва­ли воз­дух, либо взбал­ты­ва­ли его с воз­ду­хом. При этом бо́льшая часть Rn пе­ре­хо­ди­ла в воз­дух, ко­то­рый ис­сле­до­вал­ся в при­бо­ре. При опре­де­ле­нии окон­ча­тель­но­го зна­че­ния, ха­рак­те­ри­зу­ю­ще­го ак­тив­ность ис­точ­ни­ка, вво­ди­лись по­прав­ки, свя­зан­ные с тем, что не весь Rn пе­ре­хо­дит в воз­дух и не все α-ча­сти­цы, ис­пу­щен­ные при рас­па­де Rn, иони­зу­ют воз­дух. 10

Rn может со­дер­жать­ся не толь­ко в при­род­ной воде, но и в воз­ду­хе, по­сту­пая в жилые по­ме­ще­ния как с во­до­про­вод­ной водой, так и с бы­то­вым газом. При этом пре­дель­но до­пу­сти­мые кон­цен­тра­ции Rn в воз­ду­хе для жилой ком­на­ты 0,2 кБк/м³, для кухни  — 3 кБк/м³, для ван­ной ком­на­ты  — 8,5 кБк/м³.

Изу­че­ние ак­тив­но­сти мно­гих сотен ис­точ­ни­ков ми­не­раль­ных вод по всему миру в на­ча­ле ХХ века, в том числе и в Рос­сии (см. таб­ли­цу 3) было свя­за­но с тем, что, от­клик­нув­шись на новое яв­ле­ние, врачи по­ла­га­ли, что мно­гие хро­ни­че­ские бо­лез­ни можно из­ле­чить, при­ни­мая ра­до­но­вые ванны. Се­год­ня на­зна­ча­ют 10–15-ми­нут­ные ра­до­но­вые ванны с ак­тив­но­стью воды 1,4–4,5 кБк/л.