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最も重要な科学的発見
X線照射。 科学的発見の歴史と本質
1896年XNUMX月、ヴュルツブルク大学教授ヴィルヘルム・コンラート・レントゲンのセンセーショナルな発見に関する新聞報道がヨーロッパとアメリカを席巻した。 手の写真を掲載しない新聞はないと思われたが、その手の写真は後に判明したように、教授の妻であるベルタ・レントゲンのものであった。 そしてレントゲン教授は研究室に閉じ込められ、発見した光線の性質を集中的に研究し続けた。 X 線の発見は、新しい研究に弾みを与えました。 彼らの研究は新たな発見につながりましたが、その一つが放射能の発見でした。 ドイツの物理学者 ヴィルヘルム・コンラッド・レントゲン (1845-1923) は、プロイセンのレムシャイト近くの小さな町、レネップで生まれ、織物商として成功したフリードリッヒ・コンラート・レントゲンとシャーロット・コンスタンツ (旧姓フロウィン) レントゲンの一人っ子として生まれました。 1862年、ウィルヘルムはユトレヒト技術学校に入学しました。 1865年、レントゲンはチューリッヒの連邦工科大学に学生として入学しました。彼は機械エンジニアになることを目的としていました。 XNUMX年後、ウィルヘルムは卒業証書を受け取り、XNUMX年後、チューリッヒ大学で博士号を擁護しました。 その後、レントゲンはクントによって研究室の最初の助手として任命されました。 クントは、ヴュルツブルク大学 (バイエルン州) で物理学の教授を務めた後、助手を連れて行きました。 ヴュルツブルクへの移動は、レントゲンにとって「知的な冒険」の始まりでした。 1872 年にクントと共にストラスブール大学に移り、1874 年に物理学の講師として教職に就きました。 1875 年、レントゲンはホーエンハイム (ドイツ) の農業アカデミーで物理学の完全な (本物の) 教授になり、1876 年にストラスブールに戻り、そこで理論物理学のコースを読み始めました。 ストラスブールでレントゲンが実施した実験研究は、物理学のさまざまな分野に影響を与え、彼の伝記作家オットー・グレイザーの言葉によれば、レントゲンは「微妙な古典実験物理学者」としての評判を得ました。 1879年、レントゲンはヘッセン大学の物理学教授に任命され、1888年まで留まり、イエナ大学とユトレヒト大学で物理学の議長を引き継ぐという申し出を拒否しました。 1888年に彼は物理学の教授と物理学研究所の所長としてヴュルツブルク大学に戻りました。 1894 年にレントゲンが大学の学長に選出されると、ガラス真空管内の放電の実験研究を開始しました。 8 年 1895 月 XNUMX 日の夜、レントゲンはいつものように研究室で陰極線の研究をしていました。 真夜中頃、疲れを感じて帰ろうとした彼は、研究室を見回し、電気を消してドアを閉めようとしたとき、突然、暗闇の中に何か光る点があることに気づきました。 青色水素化バリウムでできたスクリーンが光っていたことが判明した。 なぜ光っているのですか？ 太陽はとっくに沈んでおり、電灯では光ることができず、陰極管はオフになっており、さらに黒いボール紙のカバーで覆われていました。 X線は再び陰極管を見て自分を責めました。彼がそれをオフにするのを忘れていたことが判明しました。 スイッチを感じた科学者は受信機の電源を切りました。 画面の輝きも消えた。 ハンドセットをもう一度オンにすると、再び輝きが現れました。 つまり、この光は陰極管によって引き起こされているということです。 しかし、どうやって？ 結局のところ、陰極線はカバーによって遅延され、陰極線管とスクリーンの間にあるメートル長の空隙は陰極線にとっての鎧になります。 こうして発見の誕生が始まりました。 レントゲンは一瞬の驚きから立ち直り、発見された現象と彼が X 線と呼んだ新しい光線の研究を始めました。 陰極線が隠れるようにケースを真空管の上に置いたまま、彼はスクリーンを手に持って実験室を動き回った。 これらの未知の光線に対しては、XNUMX ～ XNUMX メートルの距離は障害にはならないことがわかりました。 それらは本、ガラス、スタニオールを簡単に貫通します...そして科学者の手が未知の光線の経路に入ったとき、彼は画面上に彼女の骨のシルエットを見ました！ 幻想的で不気味！ しかし、これはほんの XNUMX 分でした。なぜなら、レントゲン氏の次のステップは写真乾板が置かれているキャビネットに向かうことでした。写真で見たものを記録する必要があったからです。 こうして新たな夜の実験が始まった。 科学者は、光線がプレートを照らし、管の周りで球状に発散するのではなく、特定の方向を持っていることを発見しました... 朝、疲れ果てたレントゲンは家に帰って少し休んだ後、未知の光線で再び働き始めました。 ほとんどの科学者は、そのような発見をすぐに発表します。 一方、レントゲンは、彼が発見した光線の性質について、それらの特性を測定することによって何らかのデータを与えることができれば、メッセージはより印象的であると信じていました. そこで彼は XNUMX 日間懸命に働き、頭に浮かんだすべての仮定をテストしました。 X線は、放射線がチューブからのものであり、他の装置からのものではないことを証明しました. 新年の直前の28年1895月XNUMX日、レントゲンは同僚に行われた仕事を知らせることにしました。 XNUMXページで、彼は実行された実験について説明し、別のパンフレットの形で記事を印刷し、写真と一緒にヨーロッパの主要な物理学者に送りました。 「蛍光は目に見える」とレントゲンは彼の最初のコミュニケーションで書いた、「十分に暗くなり、紙が白金-シアンバリウムでコーティングされているかどうかに依存しません。蛍光はXNUMXつの距離でも目立ちます.チューブから数メートル。 「蛍光の原因が放電管にあることを確認するのは簡単であり、導体のどこにもありません。」 レントゲンは、通常の可視光と不可視光の光線を透過できないチューブ カバーの黒いボール紙を通過するある種の光線 (彼はそれらを X 線と呼んだ) によって蛍光が発生したことを示唆しました。 したがって、彼はまず第一に、X線に関連してさまざまな物質の吸収能力を調査しました。 彼は、すべての体がこの物質を透過できることを発見しましたが、程度はさまざまです。 ビームは、1000 ページの綴じられた本を通過し、2 組のトランプを通過しました。 厚さ 3 ～ 15 cm のトウヒ板は光線をほとんど吸収しませんでした。 厚さ約XNUMXミリメートルのアルミニウム板は、光線を大幅に弱めましたが、完全に破壊することはできませんでした。 「放電管とスクリーンの間に手をかざすと、手自体の影のかすかな輪郭の中に骨の暗い影が見えます。」 光線は写真乾板に作用し、「カセットまたは紙のシェルに入っている乾板を使用して、明るい部屋で写真を撮ることができます」。 しかし、レントゲンはX線の反射も屈折も検出できませんでした。 しかし、彼は、正しい反射が起こらなければ、「それでも、さまざまな物質が、光に関して混濁した媒体と同じように、X線に対して振る舞う」ことを確立しました。 このように、レントゲンは物質による X 線散乱の重要な事実を確立しました。 しかし、X線の干渉を検出しようとする彼の試みはすべて否定的な結果をもたらしました。 磁場によって光線を偏向させる試みによっても否定的な結果が得られました。 このレントゲンから、X 線は陰極線と同一ではなく、放電管のガラス壁でそれらによって励起されると結論付けました。 彼のレポートの結論として、レントゲンは彼が発見した光線の可能な性質の問題について議論しています: 「X線が実際に何であるかを尋ねると（陰極線ではありません）、その強い化学作用と蛍光から判断すると、それらを紫外線に帰することができます.しかし、この場合、私たちはすぐに深刻な障害に直面します.実際、 X線は紫外線であり、この光には次の特性があります。 a）空気から水、二硫化炭素、アルミニウム、岩塩、ガラス、亜鉛などに移行するとき、目立った屈折は発生しません。 b) これらの物体からの顕著な正しい反射を経験しない。 c) すべての一般的な手段によって分極化されないこと。 d）その吸収は、密度を除いて、体のいかなる特性にも依存しません。 したがって、これらの紫外線は、これまで知られている赤外線、可視光線、紫外線とはまったく異なる挙動を示すと仮定する必要があります。 私はこれを決めることができず、別の説明を探し始めました。 新しい光線と光線の間には何らかの関係があるようです。 これは、影の画像、蛍光、および両方のタイプの光線によって生成される化学効果によって示されます。 横方向の光の振動に加えて、縦方向の振動もエーテルで発生する可能性があることは長い間知られていました。 一部の物理学者は、それらが存在するに違いないと信じています。 もちろん、それらの存在はまだ明確に証明されていないため、それらの特性はまだ実験的に研究されていません. 新しい光線は、エーテルの縦振動に起因するものではありませんか? 私はますますこの意見に傾倒していることを告白しなければならず、ここでこの仮定を自由に表現することができますが、もちろん、それにはさらなる実証が必要であることはわかっています. 1896年45月、レントゲンはXNUMX回目の通信を行いました。 この通信では、彼は光線の電離作用に関する実験と、さまざまな物体によるX線の励起の研究について説明しています。 これらの研究の結果、彼は「陰極線の作用下でX線を励起しない単一の固体は存在しなかった」と述べた。 これにより、レントゲンは強力なX線を生成するようにチューブを再設計しました。 「私は次の装置の放電管を数週間使用することに成功しました。その陰極は凹面のアルミニウム鏡であり、その曲率中心は鏡の軸に対してXNUMX度の角度でプラチナプレートです。配置され、アノードとして機能します。」 「この管では、X線は陽極から出ます。さまざまな設計の管を使った実験に基づいて、X線の励起場所がどこであるかは、X線の強度には関係ないという結論に達しました。陽極かどうか。」 このように、レントゲンは、アルミニウム陰極とプラチナ対陰極を備えた X 線管の基本的な設計機能を確立しました。 レントゲンの発見は、科学界だけでなく社会全体に大きな反響を呼びました。 レントゲンが彼の記事に付けた控えめなタイトルにもかかわらず、「新しい種類の光線について。予備的なコミュニケーション」というタイトルが付けられましたが、さまざまな国で大きな関心を集めました。 22 年 1896 月 XNUMX 日、サンクトペテルブルクでは、ウィーンのエクスパー教授が新しい目に見えない光線の発見を報告し、大学の物理講堂での講義中にレントゲンの実験が繰り返されました。 レントゲン線は、医学と技術の分野ですぐに実用化されましたが、その性質の問題は物理学で最も重要な問題の XNUMX つとして残っていました。 X 線は、光の粒子性と波動性との間の論争を再燃させ、この問題を解決するために多くの実験が行われました。 1905 年、X 線の研究で 1917 年にノーベル賞を受賞したチャールズ バークラ (1877 ～ 1944 年) は、X 線が電化体を放電する能力を利用して、これらの散乱線を測定しました。 光線の強度は、それらの作用下で検電器が、たとえば金色の葉で放電された速度を測定することによって決定できました。 Barkla は素晴らしい実験で、散乱放射線の特性を調査し、その二次散乱を引き起こしました。 彼は、90 度で散乱した放射線は 90 度で再び散乱できないことを発見しました。 これは、X 線が横波であるという説得力のある証拠でした。 小体の観点の支持者もまた、怠惰なままではありませんでした。 ウィリアム・ヘンリー・ブラッグ（1862–1942）は、彼のデータがレントゲン線が粒子であることの証拠であると考えました。 彼はレントゲンの観察を繰り返し、帯電した物体を放出するX線の能力を確信するようになりました。 この効果は、空気中のイオンの形成によるものであることがわかった。 ブラッグは、個々のガス分子に伝達されるエネルギーが多すぎて、連続波面のごく一部だけが伝達できないことを発見しました。 この明らかな矛盾の時代は、バークルとブラッグの結果が互いに調和できなかったために、1912 年に XNUMX つの実験によって突然終わりを迎えました。 この実験はアイデアと人々の幸せな組み合わせによって達成され、物理学における最大の成果の XNUMX つと考えられます。 最初の一歩は、大学院生の Ewald が理論物理学者の Max Laue (1879–1960) に相談したときに行われました。 ラウエが興味を持ったエヴァルトの考えは次のようなものでした。 X線が波であるかどうかを確認するには、回折実験を行う必要があります。 しかし、人工回折システムは明らかに粗雑すぎる。 しかし、結晶は天然の回折格子であり、人工的に作られたものよりもはるかに細かい. X線は結晶によって回折されますか? ラウエは実験者ではないので助けが必要でした。 彼はゾンマーフェルト (1868–1951) にアドバイスを求めましたが、彼は熱の動きが結晶の正しい構造を大きく乱すはずだと言って彼を支持しませんでした。実験。 幸いなことに、フリードリヒは異なる見解を持っており、友人のクニッピング（1883–1935）の助けを得て、この実験を秘密裏に実行しました。 彼らは硫酸銅の結晶を選択し（これらの結晶はほとんどの研究室で入手可能でした）、装置を組み立てました。 最初の曝露では何の結果も生じませんでした。 結晶は反射回折格子として機能すると考えられていたため、プレートはX線源である管と結晶の間に配置されました。 XNUMX 番目の実験では、クニッピングは写真乾板を結晶の周囲の四方に配置することを主張しました。結局のところ、あらゆる可能性を考慮する必要がありました。 X線ビームの経路で結晶の後ろにあるプレートの1914つで、彼らが探していた効果が見つかりました。 これが、X線回折が発見された方法です。 XNUMX 年、ラウエはこの発見によりノーベル賞を受賞しました。 1913 年、ロシアの G. V. ウルフ、イギリスのブラッグ父子は、ラウエと彼の友人たちの実験を 1915 つの重要な変更を加えて繰り返しました。彼らは、表面に対してさまざまな角度で X 線を結晶に向けました。 この場合に得られた X 線画像を写真乾板で比較することにより、研究者は結晶内の原子間の距離を正確に決定することができました。 ブラッグスは XNUMX 年にノーベル賞を受賞しました。 したがって、XNUMXつの基本的な科学的事実が物理学にもたらされました。X線は光線と同じ波動特性を持っています。 X線の助けを借りて、あなたは人体の内部構造を探求するだけでなく、結晶の深さを調べることもできます。 X 線を使用することで、科学者は結晶とアモルファス体を簡単に区別し、光を通さない金属や半導体の深部にある原子鎖の変化を検出し、強い加熱と深冷の間に結晶の構造にどのような変化が生じるかを特定できるようになりました。圧縮と張力。 レントゲンは特許を取得せず、彼の発見を全人類にもたらしました。 これにより、世界中のデザイナーがさまざまな X 線装置を発明することが可能になりました。 医師は、X 線の助けを借りて、患者の病気についてできるだけ多くのことを知りたいと考えていました。 すぐに、彼らは骨折だけでなく、胃の構造的特徴、潰瘍や腫瘍の位置についても判断できるようになりました. 通常、胃はX線に対して透明であり、ドイツの科学者リーダーは、写真を撮る前に病人に食事を与えることを提案しました...硫酸バリウムのお粥. 硫酸バリウムは体に無害であり、筋肉や内部組織よりも X 線に対する透過性がはるかに低くなります。 写真は、人間の消化器官の狭窄または拡張を示していました。 最近の X 線管では、高温のタングステン スパイラルが電子の流れを放射し、それに対して鉄またはタングステンの薄板の対陰極が配置されています。 電子は、対陰極からの X 線の強い流れをノックアウトします。 強力な X 線源が地球の外で発見されました。 新星や超新星の深部では、高強度の X 線放射が現れる過程が起こります。 地球に到来する X 線放射の束を測定することにより、天文学者は地球から何十億キロメートルも離れた場所で起こっている現象を判断できます。 新しい科学分野が出現しました - X 線天文学... XNUMX 世紀の技術は、X 線分析なしでは、今日自由に使えるさまざまな素材の壮大なコンステレーションを自由に使うことができませんでした。 著者: サミン D.K.
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