PROMIENIE X

W ostatnich dekadach XIX stulecia w badaniach fizycznych przodowali fizycy z Niemiec, Wielkiej Brytanii i Francji. Między Niemcami i Brytyjczykami istniała spora różnica poglądów. Fizycy brytyjscy interpretowali przyrodę tak, jakby prawa zwykłej mechaniki można było nadal stosować na poziomie mikroskopowym. Stąd, na przykład, brały się próby wyjaśniania eteru elektromagnetycznego przy użyciu modeli mechanicznych. Wielu fizyków niemieckich uznawało natomiast, że obciążenie mechanistyczne ich brytyjskich kolegów jest mylące, a zależność od modeli mechanicznych uznawali raczej za przeszkodę niż za pomoc w znajdowaniu rozwiązań.

Ważnym wydarzeniem w historii fizyki było rozpoczęcie badań wyładowań elektrycznych w gazach rozrzedzonych. W 1838 r. serię badań przeprowadził Faraday, który odkrył, że przy obniżaniu ciśnienia gazu jego świecenie przestaje być jednorodne w całej przestrzeni między elektrodami i pojawia się tam ciemny obszar (dziś nazywany „ciemnią Faradaya”). Jednak próżnia, którą osiągał Faraday, nie była wystarczająco wysoka, żeby umożliwić dalszy postęp badań. Przełom nastąpił wówczas, kiedy stały się dostępne rury do wyładowań wypełnione gazami o znacznie większym rozrzedzeniu oraz kiedy wynaleziono łatwy sposób osiągania wysokiego napięcia przy użyciu cewki indukcyjnej. Tę ostatnią wynalazł Heinrich Ruhmkorff (patrz rozdz. 13). Rurki wypełnione różnymi, bardzo rozrzedzonymi gazami zaczął wykonywać od 1857 r. Johann Heinrich Geissler (1815-1879), utalentowany niemiecki mechanik i szklarz, zatrudniony na uniwersytecie w Bonn. Profesorem matematyki był tam Julius Plücker (1801-1868), który zmienił zainteresowania i zajął się fizyką doświadczalną. Od 1857 r. Plücker badał i opisywał zjawiska zachodzące w „rurkach Geisslera” przy przykładaniu między ich elektrodami wysokiego napięcia. Stwierdził, że pole magnesu zmienia wygląd poświaty widocznej wewnątrz rurki, doszedł więc do wniosku, że powstają tam jakieś promienie wychodzące z katody.

Promienie katodowe dokładniej opisał w 1869 r. fizyk niemiecki, Johann Wilhelm Hittorf (1824-1914), który udowodnił, że rozchodzą się one prostoliniowo, ponieważ ustawiony na ich drodze ekran rzuca widoczny cień, ale odchylają się w polu magnetycznym. Hittorf opisał te promienie jako Glimmstrahlen („promienie świecące”). Obecną nazwę nadał im w 1876 r. inny fizyk niemiecki, Eugen Goldstein (1850-1930). Aparatura potrzebna do badania wyładowań elektrycznych w gazach rozrzedzonych nie była skomplikowana, a piękne barwy świecących gazów przyciągały oko, toteż promienie katodowe pozostawały wdzięcznym obiektem badań fizyków w wielu laboratoriach.

W 1871 r. brytyjski fizyk Cromwell Fleetwood Varley pierwszy wypowiedział hipotezę, że promienie te mają naturę korpuskularną. Wielki rozgłos zdobyły badania przeprowadzone przez Williama Crookesa, który od 1879 r. propagował pogląd, że promienie katodowe to czwarty stan skupienia materii – materia w stanie promienistym. Natomiast fizycy niemieccy z wymienionych wyżej powodów nie przyjęli forsowanej przez Brytyjczyków korpuskularnej teorii promieni katodowych, lecz uznali je za pewną postać światła rozprzestrzeniającego się w eterze. Było to zgodne z przeświadczeniem, że tylko światło może wywoływać fosforescencję. Odchylenie promieni katodowych w polu magnetycznym interpretowano jako wynik gwałtownej zmiany współczynnika załamania w resztkach gazu w bliskości magnesu. Wydawało się, że ta promienista teoria promieni katodowych uzyskała potwierdzenie, kiedy w 1892 r. Philipp Lenard wykazał, że mogą one przenikać przez bardzo cienkie folie metalowe. Wydawało się wtedy niemożliwe, by materia mogła być przezroczysta dla obiektów materialnych.

Podczas badań promieni katodowych, które prowadzono w licznych laboratoriach, prędzej czy później musiano spostrzec, że znajdujące się blisko osłoniętej rury do wyładowań światłoczułe ekrany fosforyzują, a klisze fotograficzne ulegają zaczernieniu. W paru przypadkach fizycy odesłali nawet takie zaczernione klisze do producenta, domagając się ich wymiany na klisze nieuszkodzone. W lutym 1890 r. Arthur W. Goodspeed i William N. Jennings w Filadelfii otrzymali nawet na osłoniętej kliszy pierwszą fotografię przedmiotów, znajdujących się w bliskości rury do wyładowań, ale nie przywiązywali do tego żadnej wagi i opublikowali zdjęcie dopiero po ogłoszeniu odkrycia promieni X.

Tylko Wilhelm Conrad Röntgen podjął systematyczne badania zauważonej przez siebie przypadkowo fluorescencji ekranu pokrytego platynocyjankiem baru i jemu przypadła sława odkrywcy niewidzialnych promieni. Röntgen urodził się w Lennep w Niemczech, ale wychowywał się i uczył w Holandii, gdzie wstąpił na uniwersytet w Utrechcie. Przeniósł się stamtąd na studia na politechnikę w Zurychu, gdzie studiował inżynierię mechaniczną. Interesowała go jednak przede wszystkim fizyka, zwłaszcza po wysłuchaniu wykładów Rudolfa Clausiusa i pracy w laboratorium Augusta Kundta. Doktorat uzyskał w 1869 r. na uniwersytecie w Zurychu. Potem pracował na kilku uniwersytetach niemieckich (Strasburg, Giessen, Hohenheim), a od 1888 r. był profesorem na uniwersytecie w Würzburgu. Badał głównie różne zagadnienia optyki, ale do jego ważniejszych osiągnięć należało zmierzenie pola magnetycznego wytwarzanego przez dielektryk w ruchu. Wcześniej takie pole wykrył już Henry Rowland, ale eksperyment Röntgena był dokładniejszy i bardziej przekonywający. Wykazanie, że pole magnetyczne jest wytwarzane przez poruszające się ładunki, miało duże znaczenie dla utrwalania teorii elektryczności.

W 1895 r. Röntgen miał pięćdziesiąt lat i opinię wybitnego fizyka. Rok wcześniej proponowano mu przeniesienie się do Berlina i objęcie prestiżowej katedry, zwolnionej po śmierci słynnego uczonego, Hermanna Helmholtza. Wolał jednak pozostać profesorem prowincjonalnego uniwersytetu w Würzburgu. Pełnił tam wtedy funkcję dyrektora instytutu fizyki i mieszkał z żoną w budynku instytutu na pierwszym piętrze, nad laboratorium, w którym przeprowadzał doświadczenia. W piątek 8 listopada niespodziewanie odkrył nowe, bardzo przenikliwe promieniowanie.

Röntgen opisał swe odkrycie między innymi w wywiadzie, jaki z nim przeprowadził amerykański reporter H. J. Dam dla miesięcznika „Mc Clure’s Magazine” z kwietnia 1896 r.:

„... Od dawna interesowałem się zagadnieniem promieni katodowych w rurze próżniowej, badanych przez Hertza i Lenarda. Śledziłem z wielkim zainteresowaniem te oraz inne badania i zdecydowałem podjąć własne badania, gdy tylko czas mi pozwoli. Znalazłem na to czas w końcu października. Pracowałem już od kilku dni, gdy odkryłem coś nowego...
Ósmego listopada pracowałem z rurą Crookesa pokrytą osłoną z czarnej tektury. Na tej oto ławce leżał kawałek papieru pokrytego platynocyjankiem baru. Przepuszczałem prąd przez rurę i spostrzegłem osobliwą czarną linię na papierze.
Mówiąc zwykłym językiem, takie zjawisko mogło powstać tylko przy przechodzeniu światła. Ale z rury nie mogło wyjść żadne światło, gdyż była ona przykryta osłoną, nieprzepuszczalną dla żadnego światła, ze światłem łuku elektrycznego włącznie...”

Przez ponad 7 tygodni po pamiętnym dniu odkrycia nowych promieni Röntgen przesiadywał stale przy swej aparaturze, wpadał tylko do mieszkania na posiłki, w milczeniu zjadał bardzo niewiele i natychmiast powracał do laboratorium. Wreszcie spisał swe wyniki i 28 grudnia wręczył rękopis prezesowi Towarzystwa Fizyczno-Medycznego w Würzburgu. Praca Röntgena zatytułowana Über eine neue Art von Strahlen (O nowym rodzaju promieni) została natychmiast wydrukowana w Sprawozdaniach Towarzystwa, a także jako osobna, dziesięciostronicowa broszurka, którą wobec wielkiego popytu musiano jeszcze czterokrotnie wznawiać w coraz większym nakładzie. Röntgen prowadził badania nadal i 9 marca 1896 r. miał już gotowy następny artykuł na temat niezwykłych promieni.

W pierwszej pracy Röntgen podał najważniejsze wyniki dotyczące właściwości nowych promieni: prostoliniowe rozchodzenie się, zdolność przenikania przez różne substancje, zdolność do wywoływania fluorescencji platynocyjanku baru, jak również innych substancji (między innymi szkła, kwarcu i kalcytu), działanie na kliszę fotograficzną, brak widocznego załamania w pryzmacie i skupiania w soczewkach, interferencji i polaryzacji. W konkluzji artykułu stwierdzał:

„Jeżeli zadamy sobie pytanie: czym właściwie są promienie X, których – jak widzieliśmy – nie można uznać za promienie katodowe, to najpierw nasuwa się myśl o promieniach nadfioletowych, ze względu na ich zdolność wzbudzania fluorescencji i działanie chemiczne. Lecz zaraz powstają poważne wątpliwości. Jeśli bowiem promienie X są promieniami nadfioletowymi, to te ostatnie musiałyby posiadać następujące właściwości:
a) nie powinny się wyraźnie załamywać przy przejściu z powietrza do wody, dwusiarczku węgla, glinu, soli kuchennej, szkła, cynku itd.,
b) nie powinny ulegać prawidłowemu odbiciu od wymienionych ciał,
c) nie powinny ulegać polaryzacji żadną znaną metodą,
d) ich pochłanianie powinno zależeć tylko od gęstości ciał, przez które przechodzą.
Trzeba by więc przyjąć, że te promienie nadfioletowe zachowują się zupełnie inaczej, niż znane dotychczas promienie podczerwone, widzialne i nadfioletowe. Nie mogłem się pogodzić z takim wnioskiem i szukałem innego wyjaśnienia.
Wydaje się istnieć pewien związek między nowymi promieniami i światłem. Wskazuje na to w obu wypadkach tworzenie się cienia, fluorescencja i działanie chemiczne. Od dawna wiadomo, że w eterze, oprócz drgań poprzecznych, mogą występować także fale podłużne – według niektórych fizyków takie drgania podłużne muszą istnieć. Istnienie ich, co prawda, nie zostało dotychczas potwierdzone, toteż nie można było zbadać ich właściwości eksperymentalnie. Czy nie należy zatem przypisać nowych promieni drganiom podłużnym w eterze? Muszę przyznać, iż podczas moich badań coraz bardziej skłaniałem się do tego, że takie wyjaśnienie jest poprawne, pozwalam sobie więc tu go przedstawić, chociaż zdaję sobie sprawę z tego, iż wymaga ono jeszcze dalszego potwierdzenia.”

Wiadomość o odkryciu nowych promieni rozeszła się błyskawicznie po całym świecie. Aparatura do badania wyładowań w gazach i promieni katodowych była wtedy bardzo popularna i dostępna w większości laboratoriów fizycznych, toteż można było natychmiast włączyć się do doświadczeń.W wydawanym w Warszawie tygodniku „Wszechświat” już 19 stycznia 1896 r. zamieszczono informację o odkryciu Röntgena, a 25 stycznia Wiktor Biernacki, profesor Politechniki Warszawskiej, podczas odczytu w Muzeum Przemysłu i Rolnictwa prezentował wykonane przez siebie fotografie.

W zgiełku informacyjnym, jaki zapanował w gazetach po ogłoszeniu pierwszego raportu o odkryciu niewidzialnych promieni, mieszały się wiadomości prawdziwe i zmyślone. Rekord bzdury pobił chyba dziennik „St. Louis Dispatch”, który 13 lutego 1896 r. doniósł, że niejaki dr Simon z Nowego Jorku przewyższył Röntgena, ponieważ udało mu się sfotografować własny mózg, zobaczyć pulsujące szare komórki i to w ogóle bez użycia rury Crookesa!

Na temat natury promieni X wysuwano oczywiście bardzo różne hipotezy. Lodge przypuszczał, że mogą to być podłużne fale grawitacyjne wielkiej częstości, przenoszące oddziaływanie grawitacyjne, podobnie jak światło przenosi siły elektromagnetyczne. Edison wysunął hipotezę fal akustycznych wielkiej częstości, a Michelson – wirów w eterze. Wkrótce zredukowano hipotezy do trzech najważniejszych: 1) jest to zwykłe światło, ale o bardzo wielkiej częstości (promienie hiperultrafioletowe), 2) są to od dawna poszukiwane fale podłużne w eterze (jak widzieliśmy, tę hipotezę wysunął sam Röntgen), 3) są to poprzeczne impulsy w eterze (autorem tej koncepcji był George Stokes, który nie wierzył w fale kompresji proponowane przez Röntgena). Impulsowa teoria promieni X stała się popularna w Wielkiej Brytanii.

Decydujące znaczenie dla ustalenia natury promieni X miało poszukiwanie ich polaryzacji. W marcu 1896 r. rosyjscy fizycy, Aleksandr Karnożycki i Boris Golicyn,donieśli o tym, że natężenie promieni X przechodzących przez kryształ turmalinu zmienia się przy jego obrocie. Jednak Joseph John Thomson nie potwierdził tego wyniku. Zwrócono uwagę, że fale poprzeczne o dostatecznie wielkiej częstości także powinny wykazywać bardzo małe załamanie i wtedy – zgodnie z zasadą niemno żenia bytów bez potrzeby (brzytwa Ockhama) - odrzucono pomysł fal podłużnych.

Pogląd, że promienie X stanowią szczególne rozszerzenie widma elektromagnetycznego na obszar bardzo wielkich częstości umocnił się zwłaszcza po odkryciu Becquerela (patrz dalej) i jego błędnych wynikach, sugerujących że promienie uranowe są ogniwem pośrednim między światłem i promieniami X. Brak widocznej polaryzacji nowych promieni nie stanowił na razie przeszkody.

W latach 1898-1912 większość fizyków uważała promienie X za impulsy rozchodzące się w polu elektrycznym, a pozorną ciągłość promieni tłumaczono jako wynik nakładania się ogromnej liczby tych impulsów. To była szczególna postać teorii falowej. Dodatkowo, ze względu na bardzo wiele doniesień o odkryciach innych promieni (jak promienie N), panowało zamieszanie co do tego, które z nich są falami, a które cząstkami. Do fizyki promieni X wrócimy w rozdziale 15.