Promienie Roentgena - od rury Crookesa do pierścienia synchrotronu
Na początek kilka encyklopedycznych informacji o samym odkrywcy. Wilhelm Conrad Roentgen (w oryginalnym zapisie Röntgen) był synem Niemca i Holenderki [1]. Studiuje na słynnej Politechnice w Zurychu, gdzie uzyskuje dyplom inżyniera mechanika i zostaje asystentem sławnego profesora fizyki Augusta Kundta. Od tej pory zajmuje się wyłącznie badaniami naukowymi i nauczaniem, pracując kolejno na kilku niemieckich uniwersytetach. W roku 1894 zostaje rektorem bawarskiego Uniwersytetu Juliusza i Maksymiliana w Würzburgu. Kieruje tam znakomicie wyposażonym Instytutem Fizyki, gdzie dokonuje największego odkrycia swojego życia.
laureat pierwszej Nagrody Nobla z dziedziny fizyki (1901)
W tym czasie fizycy pasjonowali się zjawiskami elektrycznymi występującymi w bańkach szklanych, z których częściowo wypompowano powietrze. Bańki te miały metalowe elektrody wtopione w szkło, do których przykładano napięcie elektryczne. Eksperymenty z takimi bańkami (zwanymi także lampami lub rurami) doprowadziły do wykrycia promieni katodowych, które później okazały się strumieniem naładowanych cząstek, elektronów, wysyłanych przez ujemnie spolaryzowaną elektrodę, katodę (patrz: WiŻ nr 10/1991). Zderzenia elektronów powodowały świecenie resztkowego gazu zawartego w lampie, a także szklanej ścianki, w którą uderzały.
Kronika wielkiego odkrycia
Na początku października 1895 roku Roentgen rozpoczął eksperymenty z promieniami katodowymi wytwarzanymi w tzw. rurze Crookesa. Był to rodzaj bańki szklanej, bardzo popularnej w owym czasie, którą zaprojektował angielski uczony sir William Crookes. Promienie katodowe można wyprowadzić na zewnątrz bańki, jeśli ściankę naprzeciw katody zastąpi się cienką blaszką glinową. W powietrzu promienie te są silnie pochłaniane, toteż ich zasięg jest bardzo krótki, rzędu centymetrów, ale można je wykryć, gdyż działają na umieszczoną w ich zasięgu kliszę fotograficzną lub ekran fluorescencyjny.
A oto jak relacjonują historycy nauki samo odkrycie. Wieczorem 8 listopada 1895 roku Roentgen przeprowadza kolejne doświadczenie z promieniami katodowymi. Przypadkowo zauważa, że ekran fluorescencyjny, przygotowany do innego eksperymentu i umieszczony w tak dużej odległości od lampy, że w żadnym wypadku nie mogły do niego docierać promienie katodowe, świeci! Świeci tylko wtedy, gdy do rury Crookesa przyłożone jest wysokie napięcie. Zdumiony tym Roentgen przesłania ekran leżącą w pobliżu książką, ale świecenie nie ustaje. Wkrótce stwierdza, że także inne nieprzezroczyste dla światła materiały, takie jak drewno, ebonit, guma, a nawet niektóre metale, nie wygaszają świecenia. Jedynie blacha ołowiana lub platynowa, umieszczona pomiędzy rurą i ekranem, tłumi całkowicie ten efekt. Zafascynowany nowym zjawiskiem, bada je intensywnie przez kilka tygodni. Stopniowo uświadamia sobie, że rura Crookesa jest źródłem nieznanych dotychczas niewidzialnych promieni, które nazywa promieniami X. W odróżnieniu od promieni katodowych promienie X nie są odchylane polem magnetycznym.
Któregoś dnia następuje najbardziej spektakularny moment jego odkrycia. Roentgen dostrzega na fluoryzującym ekranie szkielet własnej ręki! Stwierdza następnie, że promienie X działają na kliszę fotograficzną, nawet owiniętą w ciemny papier, i wobec tego obrazy powstające w wyniku prześwietlenia różnych przedmiotów promieniami X można łatwo rejestrować. Do historii przeszło wykonane przez Roentgena w grudniu 1895 roku zdjęcie ręki jego żony, na której palcu widnieje ślubna obrączka [2]. Jest to pierwszy rentgenogram ludzkiego ciała, pieczołowicie przechowywany w Instytucie Fizyki w Würzburgu. Kontrast występujący na kliszy jest spowodowany tym, że kościec silniej niż mięśnie pochłania promienie X.
W styczniu 1896 r. Roentgen referuje wyniki swoich badań na posiedzeniu miejscowego Towarzystwa Fizyko-Medycznego. Argumentuje, że promienie X wybiegają ze szklanej ścianki rury Crookesa w miejscu, gdzie promienie katodowe (dzisiaj powiedzielibyśmy – elektrony) uderzają w szkło. Zaproponowano wówczas, by promienie X, na cześć odkrywcy, nazywać promieniami Roentgena.
Niezwykłe właściwości promieni Roentgena wywołały natychmiast ogromne zainteresowanie na całym świecie. Ponieważ rura Crookesa była wówczas popularnym rekwizytem w laboratoriach fizycznych, setki uczonych stały się od razu „ekspertami” od promieni X. Rentgenowskie zdjęcie kośćca dłoni ludzkiej w ciągu kilku dni obiegło cały świat. Gazety zapełniły się budzącymi grozę fotografiami szkieletów dłoni i stóp oraz sensacyjnymi informacjami, rysunkami i dowcipami na temat promieni Roentgena. Dzięki temu możemy dziś śledzić ówczesną fascynację nowo odkrytymi promieniami.
Pewna londyńska firma konfekcyjna zachęcała klientki do kupna swoich wyrobów, twierdząc, że produkowana przez nią bielizna damska jest wykonywana z materiałów nieprzezroczystych dla promieni X. Tytuł ogłoszenia tej firmy brzmiał: „X-ray proof underwear – no lady safe without it”, co znaczy: bielizna odporna na promienie X – żadna dama nie jest bez niej bezpieczna. Z dnia na dzień Roentgen stał się bohaterem narodowym. Gwoli gorzkiej prawdy trzeba jednak dodać, że pod koniec życia wegetował na granicy nędzy.
Świat lekarski szybko zaczął stosować promienie Roentgena w celach diagnostycznych. Później odkryto, że promienie te wywołują szkodliwe działanie biologiczne: porażają i niszczą żywe komórki. Zostało to zresztą wykorzystane jako narzędzie terapeutyczne – do niszczenia nowotworów. Tak więc odkrycie Roentgena stało się bardzo szybko powszechnie znanym i cenionym osiągnięciem naukowym. Nic też dziwnego, że gdy w roku 1901 zaczęto przyznawać Nagrody Nobla, pierwszym laureatem tej nagrody w dziedzinie fizyki został właśnie Roentgen.
Promienie X w świecie kryształów
Natura promieni Roentgena przez wiele lat pozostawała niewyjaśniona, choć sam Roentgen przypuszczał, że jest ona raczej falowa niż korpuskularna. Gdy w roku 1910 zaczął pracować na Uniwersytecie Ludwika i Maksymiliana w Monachium, spotkał tam wielu wybitnych fizyków, między innymi Maxa von Laue. W tym czasie domyślano się już, że kryształy są ciałami zbudowanymi z regularnie rozmieszczonych atomów, ale nie było na to żadnego dowodu eksperymentalnego. Co więcej, nie wszyscy fizycy byli przekonani, że atomy naprawdę istnieją. Laue podejrzewał, że hipotetyczna długość fali promieni Roentgena może być tego samego rzędu co odległości między atomami w kryształach. Gdyby to było prawdą, to promienie Roentgena powinny ulegać ugięciu (dyfrakcji) na kryształach, podobnie jak światło ulega ugięciu na siatce dyfrakcyjnej wykonanej np. przez nacięcie równoodległych rys na płytce szklanej, między którymi odstęp jest rzędu długości fali padającej. Ugięcie fali świetlnej przez siatkę prowadzi do powstania na ekranie umieszczonym poza nią obrazu dyfrakcyjnego złożonego z układu na przemian jasnych i ciemnych prążków.
Przypuszczenie Lauego okazało się prawdziwe! Jego dwaj asystenci uzyskali pierwsze obrazy dyfrakcyjne promieni Roentgena ugiętych na krysztale siarczanu miedzi. Kryształ stanowił tu trójwymiarową siatkę dyfrakcyjną, a otrzymane obrazy składały się z odosobnionych plamek (refleksów) rozłożonych w sposób symetryczny na kliszy fotograficznej [3]. Z symetrii obrazu dyfrakcyjnego można było wnioskować wprost o symetrii samego kryształu. To historyczne doświadczenie było podwójnym sukcesem. Po pierwsze, udowadniało ono, że promienie Roentgena mają naturę elektromagnetyczną, podobnie jak światło. Po drugie, pokazywało, że kryształy są rzeczywiście zbudowane z regularnie rozmieszczonych w przestrzeni atomów. Laue został za to doświadczenie uhonorowany Nagrodą Nobla w 1914 roku.
Badaniami Lauego zainteresowali się dwaj inni uczeni pracujący w Anglii: sir William Henry Bragg i William Lawrence Bragg, ojciec i syn. Doprowadzili oni dzieło rozpoczęte przez Lauego do końca. Pokazali, jak za pomocą dyfrakcji można zmierzyć długość fali promieni rentgenowskich i równocześnie określić strukturę kryształu, to znaczy rozszyfrować sposób, w jaki są rozmieszczone atomy w krysztale. Były to doniosłe wyniki, które w rezultacie pokazały, że większość ciał stałych występujących w przyrodzie ma budowę krystaliczną. Uczeni uzyskali odtąd wspaniałe narzędzie badawcze pozwalające badać strukturę krystaliczną różnych substancji. Zapoczątkowało to rozwój nowej gałęzi fizyki: krystalografii strukturalnej. Za prace nad badaniami struktury kryształów za pomocą promieni Roentgena Braggowie otrzymali w roku 1915 Nagrodę Nobla z fizyki. Była to więc już trzecia Nagroda Nobla przyznana za odkrycia związane z promieniami X.
Dzisiaj dyfraktometry rentgenowskie, a także inne urządzenia wykorzystujące promienie Roentgena, stanowią standardowe wyposażenie laboratoriów naukowych i przemysłowych. W medycynie wielkim sukcesem było opracowanie w latach 80. ubiegłego stulecia techniki zwanej tomografią komputerową. W metodzie tej badany obiekt (np. głowa pacjenta) znajduje się pomiędzy ruchomym źródłem promieniowania a zsynchronizowanym z nim detektorem. W ten sposób wiązka promieni X penetruje całe wnętrze obiektu, a detektor rejestruje intensywność transmisji dla różnych konfiguracji. Zebrane w ten sposób dane są potem przetwarzane przez komputer i przedstawiane w postaci graficznej. Pozwala to na zlokalizowanie i zidentyfikowanie występującego urazu.
Od rury do pierścienia
Przełomem w zastosowaniu promieniowania rentgenowskiego w nauce i przemyśle było zbudowanie w latach 40. ubiegłego stulecia synchrotronu, źródła promieniowania o bardzo dużej mocy. W synchrotronie elektrony krążą wewnątrz toroidalnej komory próżniowej, nazywanej pierścieniem. Są one przyspieszane, gdy przechodzą przez obszary pola elektrycznego wytwarzanego przez specjalne generatory. Odpowiednio dobrane pole magnetyczne, skierowane prostopadle do płaszczyzny pierścienia, utrzymuje poruszające się elektrony na orbitach kołowych wewnątrz pierścienia, zapobiegając ich uderzeniom w ścianki. Jeśli rozpędzony elektron zostanie, za pomocą specjalnego urządzenia, wyprowadzony z pierścienia, a następnie wyhamowany, to emituje on promieniowanie elektromagnetyczne, którego długość fali rozciąga się od podczerwieni do promieniowania rentgenowskiego. Moc takiego promieniowania synchrotronowego przewyższa o rzędy wielkości moce wysyłane przez konwencjonalne lampy rentgenowskie. Stwarza to zupełnie nowe możliwości zastosowań promieni rentgenowskich, nieosiągalne za pomocą źródeł konwencjonalnych.
Pierwszy synchrotron elektronowy zbudowany na Uniwersytecie Cornella (USA) miał średnicę kilku metrów i mieścił się wewnątrz pokoju laboratoryjnego. Współcześnie budowane synchrotrony mają średnicę rzędu kilometra, a ich pierścienie umieszczone są w specjalnie wybudowanych podziemnych tunelach. Pierścień dużego synchrotronu Europejskiego Ośrodka Badań Jądrowych (CERN-u) przecina granicę Francji i Szwajcarii.
W Polsce obchodziliśmy właśnie jubileusz związany z dziesiątą rocznicą uruchomienia synchrotronu „Solaris” w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego działającym przy Uniwersytecie Jagiellońskim [6]. Jest to jedyny synchrotron w Europie Środkowo-Wschodniej. Obwód pierścienia Solarisa wynosi 96 m, a energia przyspieszanych elektronów 1,5 GeV. Urządzenie jest wykorzystywane do badań w wielu różnorodnych dziedzinach, takich jak inżynieria materiałowa, fizyka ciała stałego, medycyna i farmacja itp.
Tadeusz Figielski
