Павел Власов - Беседы о рентгеновских лучах (второе издание)
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 разрушительна. Способна вызвать, например, денатурацию белка — его необратимые изменения (структурные!), наподобие тех, которые наблюдал каждый из нас, поджаривая яичницу.
Понятно, было бы желательно использовать самое безобидное проникающее излучение. Значит, как можно 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 самое жесткое (10-12 сантиметра), но и не самое мягкое (10-5 сантиметра). Ясно, почему ультрафиолет здесь тем более не годится, не говоря уж о видимом свете.
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 на 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 электронографии. 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).
Характеристика столь всепроникающего, поистине «всевидящего глаза» будет неполной, если не упомянуть еще одну доступную ему сферу исследований. Речь идет о получении спектров испускания и поглощения рентгеновской радиации. По ним изучают природу химической связи, находят заряды ионов в твердых телах и отдельных молекулах, проводят количественный и качественный анализ веществ, осуществляют быстрый неразрушающий контроль состава материалов на горно-обогатительных фабриках, металлургических и цементных заводах.
Кораблекрушений все меньше, но они все масштабней. Нельзя ли покончить с ними вообще? «Всевидящее око» против аварий и катастроф
— Наконец-то о заводах, а то все лаборатории да лаборатории!
— Стоит ли противопоставлять те и другие? Производство немыслимо без науки, которая стала непосредственной производительной силой. Это несложно проиллюстрировать и ролью рентгеновских лучей.
— Хорошо, а что еще они делают в народном хозяйстве?
— Многое. Не только определяют состав веществ, но и помогают их изготовлять, стимулируя химические реакции. Отбраковывают недоброкачественные изделия, вскрывая в них внутренние изъяны. Выявляют инородные предметы, попавшие в пищевые продукты. И так далее — всего не перечтешь.
Когда танкер «Пайн Ридж» отправился в очередной рейс, моряки не могли быть уверены, что вернутся домой целыми-невредимыми. Они знали: их «посудина», построенная еще в 1943 году, отслужила свое. Тем не менее она проплавала до 1960 года, до того злополучного декабрьского дня, когда потерпела бедствие в Атлантическом океане, переломилась надвое.
Она проплавала 17 лет, хотя на своем веку побывала в таких переделках, особенно в военное время, которые, казалось, должны были неминуемо закончиться кораблекрушением. Она проплавала 17 лет, а вот ее сверстник «Скенектади» не продержался на плаву и 17 часов.
О нет, его погубили не штормовые волны, не торпеда незаметно подкравшейся вражеской субмарины, не ледяная гора, внезапно подвернувшаяся в ночи…
Он погиб нежданно-негаданно, стоя неподвижно в «тихой заводи», у причальной стенки, в безветренную погоду. Танкер той же серии, построенный на американской же верфи, спущенный на воду всего лишь несколькими месяцами раньше «Пайн Риджа», сияющий свежей краской, без единой царапины, он вдруг переломился надвое, не успев даже выйти на ходовые испытания, которых ждал в полной готовности.
Трагическая случайность? Нет, гибель танкеров — и «Пайн Риджа», и «Скенектади» — не случайность. Но если в первом случае причина была более или менее ясной (хозяева изношенного судна не пожелали тратиться на то, чтобы укрепить корпус), то во втором случае ее пришлось доискиваться дольше.
Стремясь ускорить строительство кораблей (шла война), американские верфи ввели вместо клепки сварку.
Сократился технологический цикл. Но сварка сварке рознь. И вот у 430 с лишним цельносварных танкеров и сухогрузов (из 3 тысяч) было обнаружено свыше 570 трещин. Результат оказался плачевным: 20 судов получили перелом от борта до борта, причем два из них еще на верфи.
Увы, доныне не покончено с кораблекрушениями. Их число достигает 150–160 ежегодно. Это меньше, чем в начале XX века (около 400) или в прошлом столетии (примерно 3 тысячи), но сейчас ведь и суда стали крупнее.
Вероятность аварий должна быть сведена на нет. Это относится не только к морскому или речному транспорту, но и к наземному, воздушному, космическому, равно как и к любому сооружению, делу рук человеческих.
Проблема не из легких. Рабочий режим конструкций стал гораздо жестче, чем когда-либо раньше, идет ли речь о высотной телебашне, сверхглубинном буре, трансконтинентальном трубопроводе, атомном ледоколе или космической ракете. И тем не менее конструкции становятся надежнее (недаром кораблекрушений сейчас в 20 раз меньше, чем в XIX веке). Свои заслуги тут есть и у рентгеновской радиации. Она помогает контролировать качество самых разных материалов и изделий, позволяя увидеть недоступные глазу внутренние дефекты — трещины, раковины, непровары, включения.
