Текст уведомления здесь

Смертоносные лучи, спасающие жизни

В «день рождения» рентгена «Чердак» рассказывает, как Х-лучи изменили наш мир

123 лет назад Вильгельм Конрад Рентген открыл знаменитые Х-лучи, они же рентгеновское излучение. Все мы много раз слышали, как важно это открытие, но мало кто знает, как на самом деле используется рентген в обычной жизни. «Чердак» подробно объясняет, как удивительные лучи преобразили мир.
Добавить в закладки
Комментарии

Таинственный свет 8 ноября 1895 года в лаборатории Вильгельма Конрада Рентгена, руководителя физического института Университета Вюрцбурга, вечером оставался лишь сам Рентген. В лаборатории было темно. Исследователь включил катодную трубку, обклеенную со всех сторон темной бумагой, и внезапно на столе засветился экран, покрытый кристаллами цианоплатината бария. Рентген выключили трубку — свечение исчезло. Снова включил — опять появилось. Физик сделал вывод: из трубки исходит невидимое излучение, которое, тем не менее, вызывает свечение кристаллов и, как позже выяснилось, засвечивает фотопластинку. Рентген назвал излучение Х-лучами, а позже их переименовали в рентгеновские. Исследования показали, что лучи — это электромагнитное излучение с очень большой энергией, больше, чем, например, у ультрафиолета.

Вильгельм Конрад Рентген был весьма представительным мужчиной

Через шесть лет после открытия рентгеновское излучение принесло своему первооткрывателю первую в истории Нобелевскую премию по физике. А еще рентген радикально изменил современную науку и технику. «Чердак» рассказывает, где сегодня используют Х-лучи. Узнать, что внутри человека Для обычного человека слово «рентген» означает не фамилию или не единицу измерения, а метод исследования. Чаще всего при такой неприятной вещи, как перелом. И действительно, с момента, когда был опубликован первый рентгеновский снимок руки с кольцом (кстати, не жены Рентгена, как многие думают, а его ассистента), именно рентгеновские лучи остаются самым надежным способом узнать, что внутри у человека, не вскрывая его оболочку. За столетие с небольшим медицинский рентген эволюционировал, стал цифровым, дозы облучения, которые получает тело человека, уменьшились, а качество изображения многократно улучшилось. Но самое важное — рентген эволюционировал в гораздо более мощный способ диагностики, который годится не только для диагностики сломанных костей.

Тот самый снимок с кольцом

Рентгеновское излучение поглощают не только кости, но и другие ткани, причем каждая по-своему. Именно на этом эффекте основан метод компьютерной томографии, за который в 1979 году Аллан Кормак и Годфри Хаунсфилд получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Да-да, это далеко не все знают, но в основе «модной» КТ — старый добрый рентген. Внутри кольца, в котором лежит пациент, вращаются источник рентгеновских лучей и приемник. Полученные данные о том, как ткани тела поглощают рентгеновские лучи, реконструируются компьютером в 3D-картинку. Метод КТ особенно важен при инсультах, хоть он и менее точен, чем магнитно-резонансная томография головного мозга, зато КТ-диагностика гораздо быстрее. А когда нужно выяснить, какой именно инсульт произошел — геморрагический (с кровоизлиянием, и тогда пациента нужно срочно класть на стол к нейрохирургу) или ишемический (когда тромб закупоривает сосуды, и нужны разжижающие кровь препараты), каждая минута на счету. Найти дефекты Рентгеноскопию можно делать не только сломанной руке. Рентген отлично подходит для просвечивания, например, металлов. На глаз невозможно определить, прочно ли сварили конструкции моста, герметичен ли шов у газопровода и плотно ли прилегают друг к другу рельсы. Чтобы выяснить это, существуют разнообразные методы дефектоскопии. Среди них почетное место занимает рентгеновская дефектоскопия, она же «радиографический контроль сварных швов». Благодаря рентгену можно увидеть дефекты, микротрещины, включение пузырьков воздуха, шлака. Убить опухоль Даже ультрафиолетовое излучение в больших дозах разрушает живую материю, что уж говорить о куда более высокоэнергетических рентгене или гамма-лучах. Именно из-за убийственной силы рентгена сотрудники радиологических отделений, которые делают нам рентген и компьютерную томографию, во время исследований надевают свинцовые фартуки, которые не пропускают рентгеновские лучи. Сам пациент получает небольшую дозу, с которой прекрасно справляются механизмы «починки» ДНК (за открытие которых дали Нобелевскую премию 2015 года по химии — «Чердак» подробно писал про это), а вот сотрудники лаборатории без фартуков ежедневно «схватывали» бы очень немало. Но медицина придумала, как использовать эти страшные свойства рентгена во благо: жесткое излучение отлично подходит для того, чтобы убивать раковые опухоли. Конечно, у такой терапии неизбежны побочные эффекты, но, когда на одной чаше весов — вред, с которым организм может справиться, а на другой — неизбежная гибель от рака, выбор очевиден.

До того как ученые осознали опасность рентгеновского излучения, с его помощью лечили едва ли не все болезни, например туберкулез

Вопреки распространенному мнению самая распространенная разновидность лучевой терапии использует жесткое рентгеновское излучение, а не гамма-лучи еще более высокой энергии. Чтобы «добыть» Х-лучи, радиоактивные вещества не используются: вместо этого электроны сначала разгоняют до высоких скоростей в магнитном поле, а затем тормозят их. «Лишняя» энергия выделяется в виде рентгеновских лучей, которые и убивают опухоль. Узнать структуру вещества Еще один плюс рентгеновского излучения — у него очень маленькая длина волны. А значит, его можно использовать для разглядывания очень маленьких предметов. У «обычного» излучения в оптическом диапазоне длина волны намного больше, поэтому с его помощью невозможно увидеть отдельные молекулы, размер которых которые меньше этого значения. Электромагнитные волны оптического диапазона попросту не будут «замечать» эти молекулы, огибая его. А вот рентген отлично подходит для изучения структуры очень маленьких объектов. Менее чем через 20 лет после открытия лучей отец и сын, Уильям Генри и Уильям Лоуренс Брэгги поняли, что, используя рентгеновское излучение, а точнее, дифракцию рентгеновских лучей на кристалле вещества, можно узнать структуру кристаллической решетки. Так появился рентгеноструктурный анализ, а «семейный подряд» получил Нобелевскую премию по физике 1915 года (Брэгг-младший так и вовсе стал самым молодым естественнонаучным лауреатом премии за все времена: награда досталась ему в 25 лет!). Позже оказалось, что таким образом можно определять и структуру белков, главное — вырастить из них кристаллы. Этот процесс — настоящее искусство, и впервые его удалось осуществить британскому химику Дороти Кроуфут-Ходжкин, которая в 1964 году удостоилась за свои работы Нобелевской премии по химии (всего женщины получали высшую научную награду в этой категории четыре раза).

Анализируя, как рассеиваются рентгеновские лучи на кристаллах биомолекул, ученые могут детально воссоздать их структуру. Изображение: Thomas White, Center for Free-Electron Laser Science—CFEL—at DESY

Более того, рентген вместе с еще одним «нобелевским» изобретением наших соотечественников Александра Прохорова и Николая Басова — лазером — помог еще глубже проникнуть в структуру биологических молекул. Сейчас в Европе готовится к запуску международный проект рентгеновского лазера на свободных электронах (XFEL), куда уже выстроились в очередь со своими экспериментами ученые, работающие в области наук о живом. Рентгеновское лазерное излучение будет использоваться для еще более точного определения структур кристаллов биомолекул. Узнать, как устроена Вселенная Открытие Вильгельма Конрада Рентгена позволило нам не только узнать, как устроено вещество, но и увидеть самые загадочные объекты во Вселенной — черные дыры. Черная дыра поглощает все вокруг, даже свет, поэтому увидеть ее непосредственно нельзя. Падая на дыру, вещество разгоняется до огромнейших скоростей. При этом оно разогревается и начинает излучать в рентгеновском диапазоне. Именно поэтому «увидеть» черную дыру можно именно при помощи рентгеновских телескопов. Один из первых рентгеновских источников на небе — Лебедь Х-1 — был открыт в 1964 году, и сегодня большинство ученых уверены, что это черная дыра массой около 15 солнечных масс. К счастью для людей, рентгеновские лучи не проникают сквозь земную атмосферу, иначе перспективы жизни на планете были бы туманными. Но из-за этой счастливой особенности рентгеновские телескопы приходится запускать в космос. Самые заслуженные — аппарат NASA Сhandra и европейский XMM-Newton — трудятся на орбите до сих пор, а совсем скоро в космос должен отправиться и российско-германский телескоп «Спектр-рентген-гамма». Кроме черных дыр такие телескопы «видят» и другие экзотические объекты типа нейтронных звезд или квазаров (впрочем, основой квазара тоже является черная дыра в центре галактики).

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы

«Запаска» для космонавтов

Как выглядят различные сценарии аварийного спасения экипажа космического корабля

11 октября 2018-го при запуске ракеты-носителя «Союз-ФГ» с пилотируемым кораблем «Союз МС-10» произошла авария. Корабль отделился и совершил посадку неподалеку от казахстанского Жезказгана; экипаж, по сообщениям на момент подготовки материала, находится «в удовлетворительном состоянии». О том, как происходит спасение экипажа космических кораблей в разных обстоятельствах, читайте в материале «Чердака».
Добавить в закладки
Комментарии

Космический корабль, пожалуй, самое сложное транспортное средство в истории человечества. Он движется на очень высоких скоростях, испытывает очень большие аэродинамические нагрузки. Стартует он на ракете, а это баки с топливом и окислителем, рядом с которыми расположены камеры сгорания (давление изнутри 60 атмосфер, температура около трех тысяч градусов), трубопроводы под давлением (около ста атмосфер, если говорить о двигателях первой ступени «Союза-ФГ») и турбины, делающие десятки тысяч оборотов в минуту. Кроме того, баки с окислителем могут иметь особо низкую температуру из-за жидкого кислорода внутри — при такой температуре все материалы становятся хрупкими.

Вариант «выпрыгнуть с парашютом» или даже «катапультироваться» в случае с космическим кораблем во время полета не работает: на начальном этапе не получится убраться на безопасное расстояние от первой ступени (которая может и взорваться), а далее, при полете сквозь атмосферу, покинуть корабль не дадут аэродинамические силы, то есть сверхзвуковой поток воздуха. При аварии в космосе все еще хуже, поскольку возвращение на Землю потребует прохождения через атмосферу уже с гиперзвуковыми скоростями, и любой объект без специальной теплозащиты просто сгорит из-за нагрева сжимаемого им перед собой воздуха. В разных ситуациях космонавты сталкиваются с разными рисками, и потому решения, которые найдены конструкторами, тоже различаются между собой.

В этот текст вносились правки: В оригинальной версии текста мы утверждали, что спасение экипажа «Союза» произошло при участии системы САС. Это не так, в действительности система аварийного спасения была отстрелена незадолго до аварии и «Союз» покинул ракету самостоятельно.

Сценарий первый: авария на старте [ ... ]

Читать полностью

Инструменты из света

Нобелевская премия по физике 2018 года присуждена за создание двух очень разных лазерных технологий

Нобелевская премия 2018 года по физике вручена за работы в области оптики. Артур Эшкин изобрел неоценимый в биологических исследованиях лазерный пинцет, который позволил удерживать на месте живые микроскопические объекты, не вредя им, а Жерар Муру и Донна Стрикленд разработали способ получать очень быстрые и мощные лазерные импульсы, которые могут испарять твердые материалы и делать многое другое. «Чердак» рассказывает про то, как устроены и чем отличаются друг от друга нобелевские лазерные технологии.
Добавить в закладки
Комментарии

Лазеры, то есть оптические квантовые генераторы света, были изобретены в 1960 году и стали основой для множества самых разных технологий. С их помощью можно считывать данные с компакт-дисков, резать различные материалы (и даже живые ткани при операциях), ими измеряют расстояния и передают информацию с невиданными ранее скоростями. За лазеры и связанные с ними работы самую известную в науке премию присуждали неоднократно (например, Жорес Алферов получил награду 2000 года за структуры, ставшие основой полупроводниковых лазеров), и в этом году Нобелевский комитет решил отметить еще две совершенно разные области лазерных технологий — технику получения сверхкоротких импульсов, которую используют сегодня все современные импульсные лазеры сверхвысокой мощности, и лазерный (или оптический) пинцет.

Лазерный пинцет позволил ученым захватывать и перемещать в нужном направлении отдельные клетки, бактерии и даже вирусы. Этот метод существенно облегчил биомедицинские исследования.

Сверхкороткие лазерные импульсы, в свою очередь, нашли применение не только в исследовательских задачах. Импульсные лазеры, как отметил Нобелевский комитет, сегодня широко используются в микрохирургии глаза, включая ставшие рутинными операции по коррекции близорукости. Получать короткие импульсы света умели и раньше, но именно работы Муру и Стрикленд позволили усиливать их до требуемых на практике значений. Сравнительно скромная энергия, поделенная на крайне малое время и распределенная по очень малой площади, дает фантастическую мощность: современный импульсный лазер может выдать несколько петаватт, то есть на доли секунды мощность излучения превышает суммарную мощность электростанций Земли в тысячи раз.

Подвесить в луче света [ ... ]

Читать полностью

Сообразили на троих

Трое человек сыграли в «Тетрис» при помощи интерфейса «мозг-мозг». Так мы научились уже передавать мысли без помощи слов или нет?

В конце сентября на сайте препринтов научных статей arXiv появилась статья ученых из университетов Вашингтона и Карнеги-Меллон, которые создали «первый мультиперсональный неинвазивный интерфейс „мозг-мозг“ для совместного решения проблем» — они объединили мозги трех людей в сеть, и те смогли силой мысли сыграть в «Тетрис». «Чердак» рассказывает, в чем заключается техническое достижение исследователей, и разбирается, можно ли считать, что мы научились передавать друг другу мысли напрямую.
Добавить в закладки
Комментарии

Нынешние интерфейсы «мозг-мозг» — союз технологий нейровизуализации и нейростимуляции. Суть идеи в том, чтобы передавать информацию от мозга одного человека к мозгу другого напрямую, минуя речь. Такой интерфейс считывает нейронные сигналы из мозга отправителя, преобразовывает в цифровой формат и передает получателю, где те снова «переводятся» в активацию нейронов (так что можно говорить, что «мозг-мозг» раскладывается на «мозг-компьютер» и «компьютер-мозг»).

Для этого ученые используют две давно и хорошо изученные технологии — электроэнцефалографию (ЭЭГ), с помощью которой с поверхности головы записывается электрическая активность мозга, и транскраниальную магнитную стимуляцию (ТМС), при которой кору головного мозга неинвазивно стимулируют короткими магнитными импульсами.

Снятие ЭЭГ выглядит, например, вот так. Фото: Baburov / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0
Снятие ЭЭГ выглядит, например, вот так. Фото: Baburov / wikimedia commons / CC BY-SA 4.0

Инструментально схема такая: ЭЭГ измеряет электрическую активность мозга через электроды, закрепленные на голове. Сегодня ученым уже известны некоторые паттерны активности мозга и то, какие именно переживания с ними коррелируют. К примеру, наблюдение за вспышками света с частотой 15 герц заставляет затылочную кору мозга наблюдателя испускать сильный электрический сигнал на той же частоте. Если переключить внимание на световые вспышки на частоте 17 герц, изменится и частота сигналов, которые фиксируются с помощью ЭЭГ. [ ... ]

Читать полностью