Lemtingasis Rentgeno atradimas: Vartiklis

1895 m. lapkričio 8 d. vakare prof. Vilhelmas Konradas Rentgenas (1845-1923) kaip paprastai vienas dirbo savo laboratorijoje, kur tyrė katodinių spindulių savybes. Tie spinduliai 19 a. pabaigoje domino daugelį fizikų Stikliniame vamzdelyje išretinus orą ir prie jo galuose įtvirtintų katodo ir anodo prijungus aukštą įtampą, iš katodo imdavo sklisti nematomi spinduliai, nuo kurių vamzdelio stiklas imdavo švytėti. Dabar žinoma, kad katodinius spindulius sudaro elektronai, išmušami į katodą smogusių jonų, pagreitėjusių elektriniame lauke. Tuo metu mokslininkai dar tik spėliojo apie jų prigimtį.

Vieną katodinį vamzdelį Rentgenas apsuko juodu popieriumi. Patalpoje buvo visiškai tamsu. Staiga mokslininkas pastebėjo žalsvą švytėjimą, sklindantį nuo fluorescencinių kristalų. Švietė ir ekranas, padengtas bario junginiu. Tomis priemonėmis buvo tiriami katodiniai spinduliai – jų veikiamos fluorescencinės medžiagos imdavo švytėti. Tačiau dabar katodiniai spinduliai negalėjo prasiskverbti pro stiklą ir popierių, be to, juos sugerdavo netgi nedidelis oro tarpas. Ar iš vamzdelio iš tikro sklido kažkokie spinduliai? Rentgenas kyštelėjo ranką tarp vamzdelio ir ekrano – ekrane išryškėjo rankos siluetas. Susijaudinęs mokslininkas išjungė elektros srovę, einančią per vamzdelį, ir kristalai iškart nustojo švytėti. Rentgenas vėl įjungė srovę – kristalai vėl sušvito. Jis suprato, kad iš vamzdelio iš tikro sklinda kažkokie nežinomi spinduliai, - ir kad jis atrado naują reiškinį. Roentgen X-ray picture of the hand of his wife, taken 23 January 1896

Roentgen X-ray picture of the hand of his wife, taken 23 January 1896

Ligi šiol neaišku, ar tas atradimas atsitiktinis. Pasak vienų istorikų, Rentgenas įvyniojo vamzdelį baigdamas darbą, tačiau užmiršo jį išjungti. Bet labiau tikėtina, kad mokslininkas jau prieš kelias dienas buvo pastebėjęs keistą faktą: fotoplokštelės, padėtos šalia katodinio vamzdelio, sugesdavo. Gali būti, kad Rentgenas sąmoningai ieškojo šio reiškinio priežasties.

Rentgenas neskubėjo pasauliui paskelbti savo atradimo, jis netgi nepasigyrė nei kolegoms, nei žmonai. Kitą dieną jis ilgam užsidarė laboratorijoje, persinešęs į ją savo lovą ir paprašęs žmoną maistą palikti prie laboratorijos durų. Jis kruopščiai tyrė naujuosius spindulius, kuriuos pats pavadino X-spinduliais. Jis tyrė, kaip juos sulaiko įvairios medžiagos, kaip jie veikia fotoplokštelę. Jis bandė, kaip spinduliai veikia jo kūną, netgi akis, nežinodamas, kokie jie pavojingi.

Po 50 d. įtempto darbo Rentgenas pagaliau atskleidė savo paslaptį žmonai Bertai: paprašė ją palaikyti rankos plaštaką ant fotografinės plokštelės. Kai ją išryškino, nustebusi Berta joje išvydo kaulų atvaizdą su vestuviniu žiedu. Netrukus Rentgenas šią nuotrauką pademonstravo Viurcburgo¹⁾ fizikų ir medikų draugijos nariams. Jis parengė pranešimą apie naujos rūšies spindulius. Atradimas buvo iškart pripažintas, pranešimas iškart išleistas atskira brošiūra. Tas pranešimas yra pavyzdys, kaip labai svarbų dalyką galima pasakyti labai glaustai – 17-a trumpų tezių, išdėstytų tik keliuose puslapiuose. Netrukus brošiūra buvo išversta į anglų, rusų, prancūzų, italų kalbas.

1896 m. sausio 23 d. Rentgenas padarė viešą pranešimą fizikų ir medikų mokslinėje draugijoje Viurcbergo fizikos inst-te. Didžioji auditorija buvo pilnutėlė, susirinko visa profesūra, atvyko daug svečių, galerijoje prisigrūdo studentų.

Visuotinė sensacija kilo, kai Bertos plaštakos nuotrauką pirmame puslapyje išspausdino Vienos laikraštis. Prasidėjo vieši bandymai su spinduliais, vadintais Rentgeno vardu. Gyvo žmogaus kaulų nuotraukos keldavo sąmyšį: vieni gėrėjosi atradimu, kiti jį smerkė, žmogaus tyrimą rentgeno spinduliais laikė nepadoriu dalyku, netgi siūlė atradėją nubausti mirtimi. Kažkokia anglų firma ėmė reklamuoti baltinius, apsaugančius nuo šių spindulių. Pasirodė pranešimų apie dar keistesnių spindulių atradimus.

Pats Rentgenas visai nepaisė šio triukšmo, tik piktinosi, kad jam trukdo dirbti. Jis netgi atsisakė užpatentuoti savo atradimą, dėl to rentgeno spinduliai greitai buvo pritaikyti medicinoje. Rentgeno spinduliai padėjo išaiškinti šimtus iki tol nežinomų ligų, suprasti daugelį fiziologinių procesų, vykstančių žmogaus ir gyvūnų organizme. Atsirado galimybė diferencijuoti ligas pagal klinikinį ir rentgeninį vaizdą. Buvo nustatyta, kad rentgeno spinduliai turi ir gydomąjį veikimą. Dabar jais gydomos kai kurios vidaus organų ir kaulų ligos. Jie ypač svarbūs gydant uždegiminius procesus ir auglius.

1923 m. vasario 10 d. Vilhelmas Rentgenas mirė Miunchene nuo skrandžio vėžio, sukelto tų pačių jo atrastų spindulių. Prieš mirtį mokslininkas liepė sudeginti visus jo asmeninius ir dalykinius užrašus. Keistas ir baisus testamentas buvo skrupulingai įvykdytas. Matyt ugnyje žuvo ir nemažai genialių fiziko minčių... Todėl mažai žinoma apie šį garsų ir labai kuklų žmogų.

Po pusantrų metų po atradimo Rentgenas paskelbė dar du darbus apie atrastųjų spindulių savybes. Jis taip kruopščiai ištyrė spindulių savybes, jog ir sekantį dešimtmetį nieko iš esmės naujo nepavyko pridurti. Jo konstrukcijos rentgeno spindulių vamzdelis naudojamas iki šiol. Kaip paaiškėjo vėliau, tk vienas jo spėjimas buvo klaidingas – kad tie spinduliai esą skersinės eterio bangos.

1901 m., vykdant A.B. Nobelio valią, imtos teikti jo vardo premijos – ir pirmuoju laureatu fizikos srityje tapo V.K. Rentgenas. Iškilmingoje ceremonijoje jis privalėjo dalyvauti, tačiau sužinojęs, kad įstatai nereikalauja sakyti kalbą ta proga, vienintelis iš laureatų nepasakė kalbos apie savo atradimą. Mat po atradimo jis tapo dar uždaresnis – nepriimdavo ordinų, nesutikdavo dalyvauti iškilmėse, netgi atsisakė Vokietijos MA akademiko vardo. Karo metais tenkinosi kortelių daviniu, netgi eidavo su svarstyklėmis į virtuvę patikrinti, ar jam kartais neįdedama daugiau nei kitiems. Jis išlaikė orumą netgi tada, kai kitas vokietis F. Lenardas³⁾ ėmė savintis rentgeno spindulių atradimo prioritetą. Per kitus 25 m. jis paskelbė tik 7 mokslinius straipsnius, bet kiekvienas jų buvo precizinių matavimų etalonu.

Kad tik nepersistengus

Nuo 1896 m. pradžios po Vieną pradėjo sklisti gandai apie prof. V. Rentgeno atrastus X- spindulius. Ir Vienos policijos valdyba, kad apramintų visuomenę, išplatino oficialų pranešimą: „Kadangi mūsų valdyba negavo informacijos apie naujų spindulių savybes, griežtai draudžiama atlikti bet kokius bandymus iki galutinio klausimo išsiaiškinimo ir specialaus policijos potvarkio...“ Mat po laikraščiuose paskelbto Rentgeno kažkokių nepaprastų spindulių atradimą ėmė plisti įvairūs fantastiniai išsigalvojimai, maždaug tokie: X-spinduliai pavojingi sveikatai, kad jais galima pakeisti arba pamatyti vidinę žmogaus esmę, pvz., policininką paversti nusikaltėliu, arba pamatyti, kad žmogus iš tikro tėra juokdarys.

Rentgeno spinduliai atsiranda katodiniams spinduliams (elektronams) smogiant į medžiagą. Staigiai stabdomi elektronai spinduliuoja elektromagnetines (EM) bangas. Bet kodėl nepastebimas šių bangų lūžimas ar difrakcija? Ligi pat 1912 m. buvo tenkinamasi miglotu aiškinimu, kad šios bangos nėra periodinės. O gal tai labai didelio dažnio EM bangos?

Praėjus 17 m po rentgeno spindulių atradimo, vokiečiui Maksui von Lauei kilo mintis jų tyrimui panaudoti kristalą: jei, kaip spėjama, kristale atomai išsidėstę taisyklingai labai arti vienas kito, tai kristalas trumpų bangų spindulius turėtų veikti kaip difrakcinė gardelė. Lauė netgi susilažino su skeptiku E. Vagneriu iš šokolado dėžutės, jog eksperimentas pavyks – taip ir buvo: fotoplokštelėje liko simetriškai išsidėsčiusios dėmės, būdingas difrakcinis vaizdas. Taip buvo įrodyta, kad X-spinduliai yra EM bangos, kurių ilgis apie 1000 kartų mažesnis už regimą šviesą, o taip pat, kad atomai kristale iš tikro išsidėstę taisyklingai, o atstumus tarp jų galima matuoti rentgeno spinduliais.

Vėliau fizikai nustatė, jog elektronų smūgio į medžiagą metu spinduliuojamas ne tik ištisinis rentgeno spindulių spektras, bet ir intensyvūs tam tikro bangos ilgio rentgeno spinduliai. Jų prigimtį paaiškino kvantinė atomo teorija. Katodiniai spinduliai iš medžiagos atomų išmuša elektronus, o į jų vietą peršokantys elektronai iš tolimesnių nuo branduolio sluoksnių išspinduliuoja rentgeno spindulius. Jų bangų ilgis būdingas konkrečiai medžiagai, todėl tokie spektrai leidžia tirti medžiagų cheminę sudėtį. Pvz., laboratorijose gauti supersunkūs elementai ir iš Mėnulio atvežtos uolienos buvo identifikuoti rentgeninės spektroskopijos metodu. Ištobulinus prietaisus, atskiras rentgeno spektro linijas pavyksta išskirti į dar siauresnius komponentus.

Dėl daugybės astronominių atradimų „kalta“ rentgeninė astronomija, atsiradusi 1962 m., kai iš geodezinės raketos buvo aptiktas pirmasis kosmoso rentgeno šaltinis Skorpiono žvaigždyne. Pirmąjį dangaus rentgeninį žvaigždėlapį padėjo sudaryti „Uhuru“ palydovas²⁾, iškeltas 1970 m. iš poligono Kenijoje (7-ųjų Kenijos nepriklausomybės metinių proga jis pavadintas suahilių kalbos žodžiu „laisvė“). Jis visiškai skiriasi nuo mums įprastų žvaigždėlapių. Stiprūs rentgeno spindulių šaltiniai, kurie kartais tūkstantį kartų šviesesni už Saulę visuose diapazonuose, matomi ten, kur galingiausiais optiniais teleskopais pavyksta aptikti tik silpną žvaigždelę ar net nerandama jokio optinio objekto. Mat didelis rentgeno spindulių aktyvumas būdingas trumpaamžiams Visatos objektams (1-10 mln. metų). Tai liudija apie juose vykstančius sparčius, netgi katastrofiškus procesus. Vieni įdomiausių kosminių rentgeno šaltinių yra neutroninės žvaigždės ir juodosios skylės.
Skaitykite Rentgenas Visatai

Neutroninėmis žvaigždėmis virsta kai kurios žvaigždės, išsekus jų branduoliniam kurui: blykstelėjusi žvaigždė nusimeta išorinį apvalkalą, o likęs branduolys susitraukia į nepaprastai tankų, greitai besisukantį 20-40 km skersmens kūną, sudarytą beveik vien iš neutronų. Milžiniškų magnetinių laukų veikiami iš jo magnetinių polių išlekia labai greiti elektronai, kurie išspinduliuoja fotonus. Toks dėl žvaigždės sukimosi pulsuojantis spinduliuoja iš Krabo ūko centro, kur 1054 m. kinų astronomai užfiksavo supernovos sprogimą.

Jei žvaigždės masė didelė, gravitacinis susitraukimas nesustoja ir žvaigždė virsta „juodąja skyle“, kuriai esant poroje su kita žvaigžde, ji iš šios siurbia medžiagą, kurios dalelės, krisdamos su pagreičiu, skleidžia rentgeno spindulius. Toks spinduliavimas ir išdavė pirmąją įtariamą juodąją skylę Gulbės žvaigždyne.

Nuo 1975 m. Justus Liebig universitetas Giessen‘e įsteigė kasmetinę Rentgeno vardo premiją, skiriamą už pasiekimus radiacinės fizikos ar radiologinės biologijos srityse. Jo vertė 15 tūkst. eurų.

Teorinius rentgeno spektrų tyrimus atlikinėjo ir Lietuvos MA Fizikos ir matematikos institutas, o VU turėjo Rentgeno laboratoriją.

Rentgeno lazeriai

Rentgeno spindulių lazeris – razeris; tokių lazerių galingumas - fantastinis.

Norint gauti razerį, reikia elektronus išplėšti iš vidinio atomų sluoksnio ir juos „užkelti“ į 1000 eV „aukštį“. Bet tokios būsenos labai nestabilios ir suyra maždaug per 10^-16 sek. Vienas iš laikytų perspektyviausių metodų – įkaitinti kietą kūną įprastiniu labai galingu lazeriu.

1972 m. buvo paskelbtas prof. Dž. Keproso ir bendradarbių ių Jutos un-to pranešimas, kad jie stebėjo lazerinį efektą rentgeno spindulių srityje. Tačiau kiti mokslininkai negalėjo to pakartoti, o patys atradėjai tik spėliojo, koks to efekto mechanizmas.

Viena iš pagrindinių razerio panaudojimo sričių būtų gauti termobranduolinius mini-sprogimus. Apšvietus deuterio ar tričio lašą vienu metu iš įvairių pusių razerio spinduliais, jo centre susidarytų didelis slėgis ir temperatūra, pakankami prasidėti termobranduoliniai sintezei. Tai galėtų būti nauju energijos šaltiniu.

O astronautikoje razerio spindulį būtų galima naudoti kosminių laivų pagreitinimui.

Nuo rentgeninio prie branduolinio magnetinio

Rentgeninio kompiuterinio tomografo (RKT) kūrėjai elektronikas G. Hounsfield‘as ir matematikas A.M. Cormack‘as 1979 m. tapo Nobelio premijos laureatais medicinos srityje – o ji vien už aparato sukūrimą skiriama labai retai.

Branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) teoriją 1946 m. eksperimentiškai nepriklausomai vienas nuo kito įrodė fizikai F. Bloch‘as ir E.M. Purcell‘is, kuriems 1952 m. suteikta Nobelio premija. 1960 m. tarybinis inžinierius V. Ivanovas pirmasis pasiūlė BMR efektą naudoti tomogramoms gauti, tačiau prioritetas priklauso P. Lauterbur‘ui (1973 m.). BMR tomografijai buvo panaudoti RKT metodai, tai paspartino jo diegimą.

BMR tomografija nekenksminga žmogaus organizmui, nes magnetinio lauko intensyvumas nėra didelis. Audiniai praktiškai nejonizojami, nes BMR kvanto energija 10¹² kartų mažesnė už rentgeno.

¹⁾ Viurcburgas (Wurzburg) – „laisvasis“ miestas Bavarijoje prie Maino upės, žemutinės Frankonijos centras. Apie 150 tūkst. gyv. Pirmąkart paminėtas 704 m. Juliaus-Maksimiliano un-tas įkurtas 1402 m.

²⁾ Uhuru (SAS-A arba „Explorer-2”) - pirmasis Žemės palydovas specialiai skirtas rentgeno astronomijai, pirmasis iš 3-ių SAS palydovų serijos. Jis iškeltas 1970 m. gruodžio 12 d. į orbitą, kurios apogėjus – 560 km, o perigėjus – 520 km. Jis sukosi apie savo ašį apie 12 min. periodu. Misija baigėsi 1973 m. kovą. Jis atliko pilną viso dangaus apžvalgą rentgeno spindulių diapazone ir būtent jis atrado Gulbės X-1 objektą, pirmąjį rimtą juodosios skylės kandidatą.

³⁾ Filipas Lenardas (Philipp Eduard Anton von Lenard, 1862-1947) – vengrų kilmės vokiečių fizikas eksperimentatorius, Nobelio premijos laureatas (1905) už darbus su katodiniais spinduliais ir daugelio jų savybių nustatymą. 3 dešimtm. tapo aršiu reliatyvumo teorijos priešininku ir vadinamosios „arijų fizikos“ propagandistu.
1891 m. jis dirba H. Herco asistentu Bonoje, kur užsiima ir katodiniais spinduliais, ypač jų prasiskverbimu pro plonus metalų sluoksnius. 1892 m. išrandami Lenardo vamzdeliai, leidžiantys stebėti katodinius spindulius nepriklausomai nuo dujų iškrovos. Jo darbai padėjo susiformuoti korpuskulinei šių spindulių prigimčiai (nors elektrono atradimo garbė 1892 m. atiteko Dž. Tomsonui). Atseit, vieną šių vamzdelių jis atidavė K. Rentgenui – o vėliau jo požiūris į Rentgeną tapo labai priešiškas, o save laikė tikruoju X spindulių atradėju.
1907 m. galutinai grįžo į Heidelbergo un-tą, kur ėmėsi tyrinėti liuminescenciją, per ateinančius dešimtmečius parašydamas darbus apie Lenardo fosforų švytėjimo mechanizmus. Jo garbei pavadintas krateris nematomoje Mėnulio pusėje.