Хто відкрив рентгенівські промені?

Рентгенівські промені — це частина електромагнітного спектра, яка знаходиться за ультрафіолетовим випромінюванням. Вперше про їхнє існування повідомив у грудні 1895 року німецький фізик Вільгельм Рьонтген. Однак насправді  історія ця дуже заплутана, від самого моменту відкриття і до сьогодні його першість ставиться під сумнів.

Розряд у скляній трубці

27 грудня 1895 року німецький фізик Вільгельм Рентген (прізвище якого українською правильніше було б писати як «Рьонтген» опублікував наукову роботу, в якій повідомив світ про відкриття ним невидимих променів. Відкрив він їх під час експериментів із катодною лампою, і головною їхньою особливістю була здатність проходити крізь деякі предмети й залишати сліди на фотоплівці.

Сам Рентген назвав відкрите ним випромінювання Х-променями, й ця назва зрештою прижилася в багатьох країнах, зокрема в англомовних. Водночас в інших державах, насамперед у німецько- та слов’янськомовних, закріпилася назва «рентгенівські промені». Така різниця в термінах відображає суперечки, що супроводжували це випромінювання від самого моменту його відкриття.

Бо першість Рентгена багато ким ставиться під сумнів. Зокрема, існує думка, що насправді Х-промені відкрив українець Іван Пулюй майже за п’ятнадцять років до німецького колеги. Але для того, аби в усьому цьому розібратися, треба почати з подій, що відбувалися задовго до них обох.

Ще у XVII столітті фізики навчилися створювати понижений тиск всередині герметично закритої скляної посудини. А на початку XVIII століття з’ясувалася цікава річ. Уже тоді науковці вміли створювати короткочасні електричні струми та знали, що якщо піднести провідник із зарядом до провідника без нього, то між ними проскакує іскра.

Так от, виявилося, що  у склянці з пониженим тиском ці іскри подорожують на більшу відстань. Експерименти з ними продовжувалися, але без особливого інтересу, аж поки у 1785 році англійський експериментатор-аматор Вільям Морган не почав досліджувати різноманітні світлові ефекти, які спостерігаються при пропусканні струму через сильно розріджені середовища, і в якийсь момент світло в нього ніби як стало невидимим.

Вважається, що саме в цей момент Морган міг ще за сто років до Рентгена отримати рентгенівські промені, проте тоді його повідомлення мало кого зацікавило, а саме воно написане так, що точно це стверджувати неможливо.

Дослідженнями Моргана зацікавилися на межі  XVIII та XIX століть, коли іскри у колбі взявся досліджувати видатний фізик Гамфрі Деві. У 1802 році йому вдалося отримати у ній дуговий розряд — стабільну іскру між двома електродами, яка зараз нам відома переважно завдяки електрозварюванню. Водночас дуговий розряд у колбі можна розглядати як найперший електричний освітлюваний прилад.

Досліди Деві продовжив його учень Майкл Фарадей. У 1838 році він отримав всередині вакуумної колби рівномірний стовп світла, поруч з яким був простір, де розріджений газ не світився. Стало зрозуміло, що, крім власне електричної іскри, у розріджених середовищах можуть відбуватися процеси, які породжують світло ніби як нізвідки. Це було саме те, про що писав Вільям Морган ще за кілька десятиліть до того.

Катодні промені

Наступний крок у розумінні того, що ж там світиться, був зроблений у 1850-ті. Виявилося, що результат пропускання іскри через розріджене середовище залежить від того, чим воно наповнене. Це явище має назву флюоресценції. Завдяки цьому у 1857 році німецький фізик Генріх Гейслер створив трубку, названу його іменем, в якій неон рівномірно світився між двома електродами: негативно зарядженим катодом та позитивно зарядженим анодом. По суті, це був прототип сучасної неонової лампи.

А ще за два роки Юліус Плюккер та Йоган Хітторф під час експериментів із різноманітними конструкціями на основі трубок Гейслера зрозуміли, що світіння газу викликають невидимі промені, які чомусь реагують на магнітне поле. Але тільки у 1876-му Ойген Гольдштейн довів, що вони виходять із катода, і назвав катодними.

У 1850–1880-х роках із катодними лампами, видимим світлом і невидимими променями всередині них експериментувало безліч науковців. Уже тоді всі розуміли, що потенційно мають справу із джерелом освітлення майбутнього. Народжувалися десятки різних конструкцій того, що зараз зветься катодною лампою, але вчені все ще не розуміли, що ж це за такі катодні промені.

У 1875-му британець Вільям Крукс удосконалив трубку Гейслера. Зробивши її зручнішою для спостереження катодних променів. У його пристрої катод перебував у звичному місці, анод — збоку, а прямо навпроти катоду було розширення, вкрите флюоресцентною речовиною. Завдяки цьому світився не весь обсяг колби, а тільки та частина, що була схожа на екран.

Рентгенівські промені

Достатньо швидко трубки Крукса набули великої популярності, їх стали активно використовувати для експериментів із катодними променями. Головне питання щодо них полягало в тому, являють вони собою щось схоже на іони чи молекули, тобто достатньо великі частинки, чи електромагнітні коливання.

Проте у другій половині 1880-х з’явилася нова таємниця: вчені почали помічати, що поруч із трубками Крукса засвічуються фотоплатівки. Інколи з ними це стається навіть коли вони щільно закриті.

Особливо в цьому питанні просунувся Філіп Ленард, який зробив у трубці Крукса маленьке віконце з фольги, сподіваючись що катодні промені пройдуть крізь нього і він зможе з ними поекспериментувати. І щось крізь це віконце дійсно пройшло і засвітило фотоплатівку попри те, що відбувалося це у цілковитій темряві.

Проте на папері, що був вкритий флуоресцентною речовиною, нічого не з’явилося. Ленарду не пощастило обрати саме ту флуоресцентну речовину, яка реагувала на катодні промені, але не на рентгенівські.

Але через те, що Ленард скупив усю її, Рентгену довелося шукати іншу. І пізно ввечері у листопаді 1895 року, він, залишившись на самоті, розпочав свій експеримент: увімкнув струм, повністю закрив трубку Крукса товстим картоном і приготував екран, вкритий платиноціанідом барію.

І саме на ньому він побачив диво: світлову пляму, що з’явилася там, де з повністю закритої лампи мали виходити невидимі промені. Подальші експерименти показали, що це випромінювання не відхиляється магнітним полем, засвічує фотоплатівки й при цьому по-різному проходить крізь предмети різної густини. Зокрема вони могли проходити крізь м’які тканини організму людини й затримуватися кістьми. Завдяки цьому стало можливим досліджувати стан кісток людини з медичною метою.

Іван Пулюй

27 грудня 1895 року Рентген опублікував роботу, в якій стверджував, що протягом усього часу досліджень катодних променів у них приховувалося інше, раніше невідоме випромінювання. Це відкриття стало справжньою сенсацією, однак майже одразу з’явилося чимало людей, які поставили під сумнів його першість. Зокрема впродовж багатьох років Ленард наполягав на тому, що слава відкриття насправді мала належати йому.

Зараз же багато говорять про те, що насправді Х-промені відкрив українець Іван Пулюй, який тоді працював у Празькому політехнічному університеті. Насправді все було трохи не так. Пулюй дійсно багато експериментував із катодними лампами у 1880-х роках. І коли Рентген зробив своє повідомлення, то він був одним із перших, хто підтвердив його спостереження у лабораторії.

У двох своїх роботах, опублікованих у 1896 році, він говорить про новий вид випромінювання як про «промені, про які повідомляє пан Рентген», тобто не претендує на першість, а закріплює пріоритет німецького дослідника, з яким був особисто знайомий.

Проте Пулюй не тільки підтвердив те, що побачив Рентген, а й зацікавився важливим питанням: а звідки ж виходять ці нові промені? З катода, як ті, що викликали люмінесценцію, чи звідкись іще? Трубка Крукса, в якій тільки один бік виконував роль екрана, і з якою вчені переважно працювали, підходила для цього не дуже добре.

Проте у Пулюя була лампа, яку він розробив ще на початку 1880-х. Тоді він створював її як побутовий освітлювальний прилад. Вона отримала нагороди на виставках, деякий час її навіть виробляли промислово, але щось пішло не так і комерційно успішним продуктом вона не стала.

Зате лампа Пулюя мала деякі конструктивні особливості, які дозволяли використовувати її як лабораторний прилад для вивчення рентгенівських променів. Вона мала сферичну форму і вся сфера була вкрита флюоресцентним складом. А в центрі був укритий слюдою анод, в який і били катодні промені.

Тож Пулюй накрив увімкнену лампу картоновим циліндром і почав ходити навколо неї із флуоресцентним екраном, дивлячись, в яких місцях і як з’являється світлова пляма. Невдовзі він зрозумів, що нове випромінювання народжується саме на аноді й розповсюджується тільки в певний бік від нього. Сьогодні ми знаємо, що це відбувається завдяки різкому гальмуванню електронів, які породжують високоенергетичні фотони.

Крім суто фізичних, Пулюй проводив і експерименти із застосуванням рентгенівських променів для виявлення стану кісток. Він став одним з перших, хто довів їхню корисність для медицини.

Чим це все завершилося

І Рентген, і Пулюй розуміли, що нові промені можуть бути тільки тим, що зараз зветься електромагнітними коливаннями. Щоправда, на той момент самої цієї концепції в сучасному вигляді не існувало і не було зрозуміло, що і як там коливається. Вчені думали, що Х-випромінювання — поперечні коливання, а катодні промені — поздовжні.

До речі, другі на той момент ще лишалися загадкою. Тільки за рік після роботи Пулюя англійський фізик Джозеф Томпсон довів, що катодні промені — потік частинок, менших за розміром, ніж атом. Згодом вони отримали назву «електрон» і дали початок дослідженню внутрішньої будови атома.

За десять після відкриття рентгена Альберт Ейнштейн пояснив фотоефект. Зв’язавши разом фотони та електрони. Тим самим він дав початок квантовій механіці, в рамках якої і була згодом побудована теорія гальмівного випромінювання.

Що ж до Х-променів, то вони знайшли своє застосування не тільки у земній медицині. Як і будь-яке електромагнітне випромінювання. Їх можна збирати з великої площі, а значить використовувати для  астрономічних спостережень.

Отже, рентгенівська астрономія успішно розвивається вже кілька десятиліть. Завдяки їй вчені змогли побачити чимало об’єктів чи явищ, які залишалися непомітними у видимих променях.