Ирина Радунская - Проклятые вопросы
Как ни странно это звучит для непосвящённого, но явление парамагнитного резонанса тесно смыкается с акустикой, учением о звуке. При этом возникает изящная цепочка, на одном конце которой находится генератор радиоволн, возбуждающий парамагнитный резонанс в кристалле, а на другом — приёмник ультразвуковых колебаний. Обнаружено, что при парамагнитном резонансе значительная часть энергии радиоволн, поглощаемых кристаллом, превращается в фононы — кванты звука. Возможна и другая ситуация, при которой на кристалл одновременно действует радиоволна и ультразвуковая волна. При этом явление парамагнитного резонанса сильно зависит от частоты и интенсивности ультразвуковых колебаний.
Но это не всё. Цепочка может протянуться и дальше. Ультразвуковые колебания, возникающие при парамагнитном резонансе, могут проявляться в изменении оптических свойств кристалла. Козырев, Альтшуллер и их сотрудники теоретически и экспериментально изучили интенсивное рассеяние света в парамагнитных кристаллах, показывающее, что такая цепочка взаимосвязанных явлений действительно существует. Много интересных работ, в которых объединяются парамагнитный и акустический резонансы, выполнил, в частности, молодой казанский физик В. А. Голенищев-Кутузов.
Все эти взаимодействия — не просто олицетворение изящества физического эксперимента. Главное — это указание на глубокое единство природы. Единство, о котором мы часто только догадываемся, но не всегда ещё умеем обнаружить его.
В химии, особенно органической, учёные и инженеры имеют дело с чрезвычайно сложными молекулами, состоящими из тысяч, а иногда из сотен тысяч атомов. Установить структуру этих молекул, изменить их строение и свойства в нужном направлении — задача не простая. Здесь могут помочь исследования парамагнитного резонанса, позволяющие весьма точно расшифровать строение сложных молекул, определять расстояния между атомами и многое другое.
В геологической разведке, в космических исследованиях необходимо точно измерять слабые магнитные поля и их небольшие изменения в пространстве и во времени. Наиболее точными и чувствительными приборами, способными непрерывно регистрировать малейшие изменения магнитного поля, но не требующие применения жидкого гелия, являются квантовые магнитометры, использующие парамагнитные свойства ядер атомов рубидия.
Одной из актуальных задач современности является передача электроэнергии от крупных электростанций к потребителям. При этом необходимо до минимума снизить потери энергии в линиях передач. Один из путей — использование сверхпроводящих кабелей. Но учёные, как мы знаем, в то время ещё не могли создать материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах, превышающих –250 °C. Они лишь мечтали о сверхпроводимости при комнатной температуре Первая задача — создать сверхпроводник хотя бы при температуре жидкого азота (примерно –180 °C) — уже решена во многих лабораториях. Для применения этих результатов и в промышленности нужно глубоко изучить законы сверхпроводимости, в том числе свойства вещества при самых низких температурах. Температуры, предельно близкие к абсолютному нулю, необходимы для решения других важных задач, а получить их можно, используя парамагнитные свойства электронов и ядер. Эта область современных исследований сейчас чревата бурными событиями, о них мы уже рассказывали.
В биологических и многих химических процессах играют большую роль особые активные осколки молекул, называемые свободными радикалами. Имеются подозрения, что некоторые из них канцерогенны, то есть способствуют развитию рака. Много свободных радикалов содержится в частицах дыма, в частности дыма папирос и сигарет. Свободные радикалы образуются при обугливании органических веществ — например, их можно обнаружить в остатках подгоревших на сковороде продуктов. (Именно поэтому гигиенисты настоятельно рекомендуют не курить, не допускать подгорания пищи и тщательно мыть сковороды после каждого употребления.) Все свободные радикалы обладают электронным парамагнетизмом. Поэтому метод парамагнитного резонанса незаменим при их исследованиях, позволяя обнаруживать и изучать их при ничтожных концентрациях. Электронный парамагнитный резонанс уже применяется в промышленности, на пример при массовом автоматизированном и бесконтактном контроле качества пищевых продуктов.
Новейшим достижением медицины в области диагностики стала ядерная компьютерная томография — синтез ядерного магнитного резонанса с ЭВМ. Первый шаг в этом направлении был сделан рентгенологами. В течение десятилетий они совершенствовали методы диагностического применения рентгеновских лучей, стремясь уменьшить их вредное воздействие на организм больного. Для этой цели были изобретены специальные фотографические эмульсии, особо чувствительные к рентгеновским лучам, были разработаны люминесцентные экраны, дающие яркое изображение при чрезвычайно малой интенсивности рентгеновского излучения. Наконец, рентгеновские аппараты были оснащены телевизионной аппаратурой, позволяющей врачу обследовать пациента при меньших дозах рентгеновского облучения и большей защищённости от рентгеновских лучей. Эта аппаратура позволила наблюдать изображение на телевизионном экране в отдельном помещении и делать снимки в те моменты, когда они наилучшим образом фиксируют состояние больного органа.
Но все эти методики обладают общим недостатком, обусловленным тем, что на рентгеновском снимке налагаются друг на друга различные органы и ткани, находящиеся на пути рентгеновских лучей. Выделить из них нужную информацию также трудно, как прочитать текст, напечатанный на листе папиросной бумаги, когда над ним и под ним находятся такие же листы, заполненные другим текстом. Подобная задача возникла бы при попытке рассмотреть изображение на диапозитиве или слайде, просвечиваемом одновременно с другими наложенными на него диапозитивами или слайдами. В случае рентгеновской диагностики дело осложняется тем, что кости поглощают рентгеновские лучи гораздо сильнеё, чем мягкие ткани. Это делает крайне трудным рентгеновское исследование головного мозга и осложняет исследование патологии мягких тканей, если они находятся в области таза или примыкают к крупным костям.
Важное значение рентгеновской диагностики привело к разработке нового метода, получившего название рентгеновской компьютерной томографии. Его суть состоит в совершенствовании приёма, которым пользуются все рентгенологи, заставляющие пациента поворачиваться во время просвечивания и делающие снимки, когда рентгеновские лучи проходят через тело больного под разными углами. При этом рентгенолог может видеть на одном снимке те участки мягких тканей, которые на другом снимке скрыты костями. Однако извлечение информации путём сравнения таких снимков требует огромного опыта и граничит с искусством. Оно доступно немногим.
Французский врач Е. М. Бокаж запатентовал в 1921 году метод, позволяющий получать достаточно чёткие рентгеновские снимки и в тех случаях, когда обычные методы не давали никакой информации. Идея метода чрезвычайно проста. Для получения рентгеновского снимка определённого небольшого участка тела нужно поместить пациента между рентгеновской трубкой и фотоплёнкой, а затем, оставляя пациента неподвижным, перемещать трубку и плёнку в противоположных направлениях вдоль параллельных прямых линий. При этом скорость перемещения выбирается так, чтобы соединяющая их прямая вращалась вокруг центра области, подлежащей исследованию. Ясно, что при этом все области, находящиеся по обе стороны той, что подлежит исследованию, не дадут чёткого изображения, а будут смазаны. Так смазывается движущийся объект на обычной фотографии, сделанной с длительной экспозицией. Напротив, области, примыкающие к воображаемой оси, через которую постоянно проходит прямая, соединяющая рентгеновскую трубку с серединой фотоплёнки, образуют на фотоплёнке наиболее чёткое изображение, даже если они со всех сторон окружены другими тканями организма.
Итальянский инженер Валлебона, впервые реализовавший эту идею на практике, назвал созданный им аппарат томографом, имея в виду, что он позволяет получить рентгеновское изображение «плоского среза» внутри человеческого тела.
Новый метод существенно расширил возможности рентгенологов, которые смогли обнаруживать глубоко лежащие туберкулёзные очаги и инфильтраты, туберкулёзные каверны и злокачественные опухоли лёгких. Ларингологи получили возможность выявлять заболевания гортани, которая на обычных снимках полностью затемняется позвонками.
Метод Бокажа обладает двумя крупными недостатками. Во-первых, хотя смазанные изображения слоёв, лежащих выше и ниже исследуемого слоя, не образуют чёткого изображения, они приводят к ухудшению контрастности деталей изображения, подлежащего исследованию. Это проявляется в форме однородного потемнения — вуали, подобной той, что огорчает фотографов, засветивших плёнку. Во-вторых, при необходимости подробного обследования, когда требуется получение нескольких рентгеновских «срезов», больной должен быть подвергнут большим дозам облучения.