Беседы о рентгеновских лучах - Павел Власов

М. фон Лауэ понимает, что его мысль не вполне оригинальна, мало того, она не нашла подтверждения в экспериментах самого В. Рентгена. Но не сдается, имея на то свои основания. Действительно, не исключено, что кристалл можно все-таки прощупывать икс-лучами. Его решетка геометрически правильная структура, своего рода ажурная конструкция из атомов, расположенных рядами и разделенных пустотой. Оказалось, что расстояния между соседними рядами того же порядка, что и длина волны рентгеновской радиации.

Известно и другое. Если пропустить обычный свет через узкую щель (шириной с длину его волны), то можно наблюдать его дифракцию. Он даст радужную картину, разложившись без призмы. Ибо составляющие его лучи, огибая края такой щели, отклоняются неодинаково: красные, например, иначе, чем желтые или синие. Кроме того, накладываясь друг на друга, они взаимно усиливаются или, напротив, ослабляются. И на экране появляются чередующиеся темные и светлые разноцветные полоски. По расстоянию между ними, которое легко измерить, и по заранее известной ширине щели нетрудно рассчитать длину волны прошедшего через отверстие света.

По предположению М. фон Лауэ, нечто подобное должно получиться и с рентгеновской радиацией, если пропустить ее через кристалл, где пустые промежутки между шеренгами атомов напоминают щели.

Было заключено пари на коробку шоколада. Чтобы разрешить спор, В. Фридрих поставил на пути икс-лучей кристалл и рядом, сбоку, фотопластинку, чтобы зарегистрировать их, когда они отклонятся под прямым углом.

Рентгеновская трубка трещала день за днем, но безрезультатно. Она мешала работавшему в том же помещении П. Книппингу, и он изменил положение пластинки, поставив ее не сбоку, а за кристаллом, дабы на ней ну хоть что-нибудь запечатлелось. И тогда все с удивлением увидели симметричный узор из темных пятен.

"Великое открытие свершилось, - вспоминал впоследствии академик А. Иоффе. - Так появилась знаменитая работа Лауэ, Фридриха и Книппинга. Вагнер был посрамлен, хотя его скепсис немало способствовал быстрой постановке эксперимента".

Так, в 1912 году родился рентгеноструктурны и анализ. Поначалу он ограничивался получением и изучением лауэграмм. Это снимки с дифракционной картиной, которая отражает строение того или иного монокристалла - одного более или менее крупного целостного образования (такого, как драгоценный камень). Она позволяет обнаружить дефекты решетки, внутренние напряжения и тому подобное.

Но в 1916 году П. Дебай и его коллега П. Шеррер приспособили метод для изучения поликристаллических материалов (таких, как порошки, состоящие из разнокалиберных мелких крупиц минерала, или сплавы, характеризующиеся обычно неоднородностью структуры). Новые разновидности рентгенограмм были названы дебаеграммами. По ним опре; деляют строение и состав образцов, размеры и ориентацию вкрапленных в них зерен или иных включений.

Постепенно выяснилось, что так можно исследовать и не обладающие геометрически правильной структурой материалы, частично упорядоченные и даже аморфные объекты. Причем не только твердые, но также жидкие и газообразные. Что дал этот "всевидящий глаз" науке и технике, лучше всего проиллюстрировать работами, заложившими краеугольные камни молекулярной биологии.

В 30-е годы настоящую сенсацию вызвала находка Д. Бернала и Д. Кроуфут-Ходжкин. На удивление коллегам, английские ученые взялись за рентгеноструктурный анализ веществ, для которых он казался неприменимым, белков. Считалось, что эти длинные органические молекулы, сворачиваясь в клубки, образуют бесформенную, бесструктурную массу. И вот сюрприз:

съемка обнаружила у них столь ярко выраженную внутреннюю упорядоченность, что заставила говорить об их кристаллоподобном состоянии.

Но когда английский биохимик М. Перуц в 1937 году вознамерился разобраться таким путем в "архитектуре"

гемоглобина, эта затея прослыла бесперспективной. "Мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления, - вспоминает ученый. - В ту пору самым сложным органическим веществом, чье строение было установлено с помощью рентгеноструктурного анализа, оставался краситель фталоцианин, состоящий из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?"

Проблема оказалась действительно архитрудной, но все же была решена, хотя и не скоро, через 20 с лишним лет. Так появилась широкоизвестная ныне трехмерная модель этого важного биополимера, состоящего из 10 тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода, серы и железа. Оправдалась ставка на рентгеноструктурный анализ; собственно, он только и подавал надежды на удачу.

Благодаря ему стала возможной и пространственная модель ДНК дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащей сотни тысяч атомов. Эту знаменитую "двойную спираль" предложили в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, воспользовавшись исключительно четкими дифракционными картинами ДНК, полученными М. Уилкинсом. Именно тогда, по мнению специалистов, произошел "гигантский взрыв, изменивший лицо генетики":

была установлена молекулярная природа наследственности.

В 1962 году все трое, а заодно с ними М. Перуц и Д. Кендрю, расшифровавший структуру миоглобина (мышечного белка), удостоились Нобелевской премии.

Интересно: из пяти лауреатов только Д. Уотсон - биолог, остальные, по сути дела, физики.

Да, своим нынешним рывком наука о жизни во многом обязана именно физике, ее арсеналу идей и методов. В частности, рентгеновской кристаллографии применительно к биополимерам.

Конечно, просвечивать их можно и гамма-радиацией.

Но для нее они слишком прозрачны. Да и она для них слишком разрушитгльна. Способна вызвать, например, денатурацию бглка - его необратимые изменения (структурные!), наподобие тех,которые наблюдал каждый из нас, поджаривая яичницу.

Понятно, было бы желательно использовать самое безобидное проникающее излучение. Значит, как можпь более мягкое? Нет, годится лишь такое, у которого дли на волны близка к поперечнику атома (около 10^-8 сантиметра). То есть именно рентгеновское, пусть не самоо жесткое (10^-12 сантиметра), но и не самое мягкое (10^-5 сантиметра). Ясно, почему ультрафиолет здесь тем более не гадится, не говоря уж о видимом свеге.

Представьте: ветер гонит волны по воде. Мы сразу замечаем, если они набегают на какое-то препятствие, даже когда оно скрыто от нас. И могут кое-что рассказать нам о его форме, величине. Наиболее полной информация будет тогда лишь, когда они по своим размерам несколько меньше огибаемого ими объекта. Так и при рассеянии рентгеновских волн веществом. Ведь их пропускают именно затем, чтобы как можно больше узнать о расположении атомов и расстояниях между ними в кристаллоподобном материале.

Разумеется, существует не только рентгено-, но также электроно- и нейтронография. У каждой свои преимущества. И свои недостатки. Чтобы получить столь же четкую дифракционную картину с помощью нейтронов, нужна более сложная техника: их пучок, выпущенный даже из самого мощного ядерного реактора, в тысячу раз менее плотен, чем поток рентгеновских квантов* из обычной трубки. С другой стороны, есть объекты, которые лучше исследовать нейтронографически. Пример - сплавы железа, кобальта, никеля.

Дело тут вот в чем. Рентгеновская радиация рассеивается электронными оболочками (а они у многих элементов настолько схожи, что для нее практически к1 одно лицо). Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами. И способны "нащупать" разницу даже между близнецами - изотопами одного элемента, которые абсолютно неразличимы рентгенографически.

Словом, каждому свое. То же можно сказать и со э-лектронографии. Но нельзя не отметить, что при топ же плотности потока и прочих равных условиях частицы опасней, чем кванты, для исследуемого образца, особенно для хрупких биохимических структур. Если нужен неразрушающий анализ, то именно рентгеновские волны подойдут скорее, чем что-либо иное.

Итак, используется не только их поглощение, открытое еще в 1895 году, но и рассеяние, обнаруженное в 1912 году. Первое дает обычные рентгенограммы, хорошо знакомые каждому по диагностическим снимкам в поликлинике. Второе - необычные (лауэ- и дебаеграммы). На них мы не увидим таких теней, по которым сразу же угадывается силуэт просвеченного предмета, скажем, кольца с камнем на пальце. Мы увидим симметричный узор из темных пятнышек, совершенно непохожий на изучаемый объект внешне, но зато математически четко отражающий структурные особенности сплава или минерала.

По такой дифракционной картине, сделав необходимые измерения, специалисты рассчитывают параметры кристаллов. Но эта работа уже проделана для очень многих земных веществ. И теперь, используя ее результаты, мы можем судить о составе любого незнакомого геологического образца, даже лунного или марсианского грунта (достаточно сравнить его рентгеновскую "визитную карточку" с уже известными).