Promienie X

ODKRYCIE I BADANIE PROMIENI X

    W ostatnich latach XIX wieku dokonano licznych, bardzo wa¿nych odkryæ dotycz±cych budowy mikro¶wiata i praw nim rz±dz±cych. Jednym z najwa¿niejszych by³o odkrycie promieni X.
    W 1895 roku Wilhelm Conrad Roentgen bada³ zjawisko promieni katodowych. Przypadkowo niedaleko zestawu do¶wiadczalnego po³o¿y³ tekturkê pokryt± fluorescencyjnym minera³em. Naukowiec zauwa¿y³, i¿ zaczyna on ¶wieciæ w ciemno¶ci, gdy ¼ród³o promieni katodowych jest w³±czone. Roentgen natychmiast przyst±pi³ do do¶wiadczeñ, których celem mia³o byæ zbadanie owego zjawiska.
    Stwierdzi³, i¿ je¶li rurê pró¿niow± s³u¿±c± do badania promieni katodowych okryje siê szczelnie cienk± czarn± tektur± i umie¶ci siê w zaciemnionym pokoju to na ekranie pokrytym fluorescencyjnym platynocyjankiem baru (który znajduje siê w pobli¿u urz±dzenia) przy ka¿dym wy³adowaniu obserwuje siê jasne ¶wiecenie. Nie jest wa¿ne czy ekran jest zwrócony ku aparaturze stron± z minera³em, czy stron± przeciwn±. Fluorescencja wystêpowa³a nawet, gdy ekran znajdowa³ siê dwa metry od rury pró¿niowej.
    Roentgen stwierdzi³, i¿ odpowiedzialny za t± fluorescencjê musi byæ czynnik, który mo¿e przenikaæ z wnêtrza rury pró¿niowej poprzez ciemn± tekturê (nie przenikliw± dla promieniowania widzialnego czy nadfioletowego) na zewn±trz uk³adu. W kolejnych do¶wiadczeniach naukowiec pokaza³, ¿e czynnik ten (nazwa³ go promieniami X) mo¿e w ró¿nym stopniu przenikaæ przez ró¿ne cia³a (stopieñ przezroczysto¶ci danego cia³a Roentgen oznacza³ poprzez stosunek jasno¶ci fluoryzuj±cego ekranu umieszczonego za danym cia³em, do jasno¶ci ekranu nieos³oniêtego). I tak na przyk³ad papier i folia cynkowa maj± du¿± przezroczysto¶æ. Drewno trochê mniejsz±. Jeszcze mniejsz± ma aluminium. Przezroczyste s± cienkie p³ytki miedzi, srebra, z³ota, czy platyny (grube p³ytki ju¿ nie). Znacznie mniej przezroczyste okazuj± siê zwi±zki zawieraj±ce domieszki o³owiu (na przyk³ad szk³o o³owiowe). Natomiast warstwy o³owiu s± praktycznie nieprzezroczyste.
    Naukowiec spostrzeg³, ¿e tak¿e cia³o ludzkie jest przezroczyste dla promieni X - Roentgen w³o¿y³ rêkê miêdzy rurê pró¿niow±, a ekran i zaobserwowa³ na nim ciemne cienie ko¶ci na tle lekko zacienionego zarysu swojej rêki.

Karykatura jaka ukazala sie w gazetach mowiaca o prominiach X

    Roentgen pokaza³, ¿e pod dzia³aniem promieni X fluoryzuje nie tylko platynocyjanek baru lecz równie¿ inne substancje: fluorescencyjne zwi±zki wapnia, szk³o uranowe, zwyk³e szk³o, kalcyt, sól kamienna. Tak¿e i p³yty fotograficzne s± czu³e na dzia³anie promieni X. Natomiast siatkówka oka nie jest na nie wra¿liwa.
    W innym do¶wiadczeniu Roentgen pokaza³, ¿e promienie X nie odchylaj± siê nawet w bardzo silnym polu magnetycznym.
    Naukowiec pokaza³ równie¿, ¿e g³ównym o¶rodkiem, z którego promienie X wysy³ane s± we wszystkich kierunkach, jest fluoryzuj±ca plamka na ¶cianie rury do wy³adowañ (plamka ta powstaje w miejscu, na które pada wi±zka promieni katodowych). Je¶li wi±zka promieni katodowych zostanie odchylona w polu magnetycznym i wywo³uje fluorescencjê w innym punkcie, promienie X zmieniaj± miejsce swojego powstawania. Mog³oby siê wydawaæ wiêc, ¿e s± one po prostu promieniami katodowymi przepuszczonymi przez szklan± obudowê. Jednak promienie X nie s± odchylane w polu magnetycznym w przeciwieñstwie do promieni katodowych.
Fotografia cienia ko¶ci rêki

    Naukowiec dokona³ licznych obserwacji i wykona³ wiele zdjêæ u¿ywaj±c odkrytych przez siebie promieni X. Uzyska³ na przyk³ad fotografiê cienia profilu drzwi oddzielaj±cych pokój z aparatur± do wy³adowañ, od pokoju w którym na¶wietla³ p³ytê fotograficzn±. Zrobi³ fotografiê cienia ko¶ci rêki, cienia os³oniêtej szpuli drewnianej z nawiniêtym drutem, os³oniêtego metalem galwanometru z ig³± magnetyczn±. Zrobi³ równie¿ zdjêcie kawa³ka metalu, w którego ¶rodku móg³ dostrzec pewne niejednorodno¶ci niewidoczne z zewn±trz.
    Roentgen stwierdzi³ równie¿, ¿e promienie X maj± zdolno¶æ jonizacji gazu, i nie s± odchylane w polu elektrycznym (nie przenosz± ³adunku).
    Naukowiec wierzy³, ¿e promienie te s± pewn± form± fal elektromagnetycznych (s±dzi³, ¿e fale te maj± charakter fal pod³u¿nych - nie mia³ racji).
    Wyniki swoich do¶wiadczeñ, Roentgen opublikowa³ w pracach w grudniu 1895 roku i w marcu 1896 roku. A ju¿ 20 stycznia 1896 roku w Dartmouth w New Hempshire pos³u¿ono siê pierwszy raz promieniami w celu nastawienia z³amanej rêki Eddiego McCarthy. Uczeni na ca³ym ¶wiecie mogli u¿ywaæ nowego, potê¿nego narzêdzia, narzêdzia, które mogli wykorzystywaæ prawie we wszystkich dziedzinach nauki, równie¿ w atomistyce.
    W nastêpnych latach promienie X sta³y siê przedmiotem badañ wielu naukowców.
    Henri Becquerel dokona³ odkrycia za³amywania, odbicia i polaryzacji promieni X (zjawisko to jest bardzo trudne do wykrycia, dlatego Roentgen go nie zaobserwowa³). Po odkryciu tego zjawiska sta³o siê jasne, ¿e promienie X s± zwyk³ymi poprzecznymi falami elektromagnetycznymi. Fale te maj± bardzo ma³± d³ugo¶æ (dlatego mog± przenikaæ prawie nierozproszone przez ró¿ne materia³y).
    W 1899 roku dwaj holenderscy naukowcy Haga i Wind przepu¶cili wi±zkê promieni X przez bardzo cienk± szczelinê w kszta³cie litery V. Promienie przechodz±ce przez otwór tworzy³y na p³ycie fotograficznej pewien obraz. Obraz ten ró¿ni³ siê od tego jaki powstawa³by przy za³o¿eniu jedynie prostoliniowego rozchodzenia siê wi±zki promieni. Naukowcy znali zjawisko dyfrakcji promieni ¶wietlnych, i s±dzili ¿e podobne zjawiska wyst±pi± w odniesieniu do promieni X. Naukowcy holenderscy stwierdzili, ¿e zaobserwowane zjawisko jest w³a¶nie zjawiskiem dyfrakcyjnym. Na podstawie poszerzenia obrazu promieni uczeni ci doszli do wniosku, ¿e d³ugo¶æ ich fali wynosi oko³o 10^-8 centymetra (1 angstrem).
    W 1906 roku naukowiec Marx zmierzy³ prêdko¶æ rozchodzenia siê promieni X. Prêdko¶æ ta by³a równa prêdko¶ci ¶wiat³a.

W latach 1907-1908 Johannes Stark (1874-1957) i Wilhelm Wien (1864-1928) korzystaj±c z zale¿no¶ci miêdzy d³ugo¶ci± fali, a jej energi±, podan± przez Alberta Einsteina i Maxa Karla Ernsta Plancka (1858-1947), wyliczyli, ¿e d³ugo¶æ fali promieni X wynosi 0,5*10^-8 centymetra.

    W roku 1912 Arnold Sommerfeld i Koch korzystaj±c z bardziej zaawansowanego technicznie sprzêtu potwierdzili do¶wiadczalnie wyniki uzyskane w 1899 roku przez Haga i Winda, a nastêpnie teoretycznie przez Wiena i Starka co do d³ugo¶ci fali promieni X.
    Jednak nie wszyscy naukowcy zgadzali siê z pogl±dem, i¿ promienie X s± falami. Odkryto, ¿e przy ich absorpcji s± wytwarzane pewne cz±steczki podobne do cz±steczek beta. William Henry Bragg (1862-1942) i J.P.V Marsden stwierdzili, ¿e cz±stki te poruszaj± siê w takim samym kierunku co pierwotnie wi±zka promieni X. W dodatku maj± one energie równ± w przybli¿eniu energii wi±zki promieni katodowych, które da³y pocz±tek promieniom X. Energia cz±steczek tych nie zale¿y, jak dowodzili, od odleg³o¶ci jak± pokonuj± promienie X od ¼ród³a, do powstania cz±steczek. Nie zachodzi wiêc zauwa¿alna strata energii. Fala tymczasem, jak mówi³ Bragg, w miarê oddalania siê od ¼ród³a, staje siê coraz bardziej rozmyta. Promienie X zachowuj± zgodnie z tymi do¶wiadczeniami takie same w³asno¶ci (energiê) wiele metrów od ¼ród³a, dlatego jak s±dzili ci dwaj naukowcy, s± one cz±steczkami.
    Promienie X zachowywa³y siê wiêc z jednej strony jak zwyczajne fale, z drugiej strony jak cz±stki. Te dwa pogl±dy, jako oddzielne modele przetrwa³y do lat dwudziestych obecnego stulecia, kiedy to pogodzi³a je mechanika kwantowa.
    Na prze³omie XIX i XX wieku prowadzono liczne badania nad wewnêtrzn± struktur± kryszta³ów. Przepuszczana przez kryszta³ wi±zka ¶wiat³a za³amuje siê na ró¿nych jego warstwach pod ró¿nymi k±tami, dziêki czemu mo¿na by³o badaæ ich strukturê. W drugim dziesiêcioleciu XX wieku naukowcy zwrócili uwagê, ¿e promienie ¶wiat³a mo¿na zast±piæ znacznie krótszymi promieniami X. D³ugo¶æ tych promieni, jak zauwa¿y³ Max von Laue (1879-1960) , jest w przybli¿eniu równa odleg³o¶ci miêdzy poszczególnymi warstwami kryszta³u. Kryszta³ mo¿e wiêc stanowiæ dla promieni X siatkê dyfrakcyjn±.
    Nied³ugo pó¼niej w 1912 roku Friedrich i Knipping przepuszczali wi±zki promieni X przez kryszta³y. Zauwa¿yli na p³ycie fotograficznej umieszczonej za niewielkim kryszta³em, uk³ad ciemnych plamek.
    Rozmieszczenie plamek odkrytych przez Friedricha i Knippinga uda³o siê teoretycznie opisaæ Williamowi Henry'emu Braggowi. Przeanalizowa³ on odbicia wielu fal o ró¿nych d³ugo¶ciach od ka¿dej z ró¿nych p³aszczyzn atomowych w krysztale. Na podstawie tych obliczeñ teoretycznych mo¿na by³o teraz badaæ dok³adnie wewnêtrzn± strukturê kryszta³ów.
    Odkrycie promieni X trzeba zaliczyæ do jednego z najwa¿niejszych odkryæ koñca XIX wieku. Promienie te natychmiast wykorzystano w ró¿nych dziedzinach nauki. Dok³adne opisanie ich w³asno¶ci pozwoli³o uczonym wykorzystywaæ je do dalszego badania mikro¶wiata.