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WICHTIGSTEN WISSENSCHAFTLICHEN ENTDECKUNGEN
Röntgenstrahlung. Geschichte und Wesen der wissenschaftlichen Entdeckung
Verzeichnis / Die wichtigsten wissenschaftlichen Entdeckungen Im Januar 1896 fegte ein Taifun von Zeitungsberichten über Europa und Amerika über die sensationelle Entdeckung von Wilhelm Conrad Röntgen, Professor an der Universität Würzburg. Es schien, als gäbe es keine Zeitung, die nicht ein Bild der Hand abgedruckt hätte, die, wie sich später herausstellte, Bertha Roentgen, der Frau des Professors, gehörte. Und Professor Röntgen untersuchte, nachdem er sich in seinem Labor eingeschlossen hatte, weiterhin intensiv die Eigenschaften der von ihm entdeckten Strahlen. Die Entdeckung der Röntgenstrahlen gab Anstoß für neue Forschungen. Ihre Studie führte zu neuen Entdeckungen, darunter die Entdeckung der Radioaktivität. Deutscher Physiker Wilhelm Konrad Röntgen (1845-1923) wurde in Lennep, einer kleinen Stadt in der Nähe von Remscheid in Preußen, als einziges Kind des erfolgreichen Textilkaufmanns Friedrich Conrad Roentgen und Charlotte Constance (geborene Frowijn) Roentgen geboren. 1862 trat Wilhelm in die Utrechter Technische Schule ein. 1865 schrieb sich Röntgen als Student an der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich ein, da er Maschinenbauingenieur werden wollte. Drei Jahre später erhielt Wilhelm ein Diplom und ein Jahr später verteidigte er seine Doktorarbeit an der Universität Zürich. Danach wurde Röntgen von Kundt zum ersten Assistenten im Laboratorium ernannt. Nachdem er den Lehrstuhl für Physik an der Universität Würzburg (Bayern) erhalten hatte, nahm Kundt seinen Assistenten mit. Der Umzug nach Würzburg war für Roentgen der Beginn einer „intellektuellen Odyssee“. 1872 wechselte er zusammen mit Kundt an die Universität Straßburg und begann dort 1874 seine Lehrtätigkeit als Privatdozent für Physik. 1875 wurde Roentgen ordentlicher (richtiger) Professor für Physik an der Landwirtschaftlichen Akademie in Hohenheim (Deutschland), und 1876 kehrte er nach Straßburg zurück, um dort ein Studium der theoretischen Physik zu beginnen. Die von Röntgen in Straßburg durchgeführten experimentellen Forschungen berührten verschiedene Zweige der Physik und brachten Röntgen nach den Worten seines Biographen Otto Glaser den Ruf eines "subtilen klassischen Experimentalphysikers" ein. 1879 wurde Röntgen zum Professor für Physik an die Universität Hessen berufen, wo er bis 1888 blieb, wobei er Angebote ablehnte, nacheinander den Lehrstuhl für Physik an den Universitäten Jena und Utrecht zu übernehmen. 1888 kehrte er als Professor für Physik und Direktor des Physikalischen Instituts an die Universität Würzburg zurück. Als Röntgen 1894 zum Rektor der Universität gewählt wurde, begann er mit der experimentellen Forschung zur elektrischen Entladung in Glasvakuumröhren. Am Abend des 8. November 1895 arbeitete Röntgen wie gewohnt in seinem Labor und untersuchte Kathodenstrahlen. Gegen Mitternacht fühlte er sich müde und wollte gerade gehen. Nachdem er sich im Labor umgesehen hatte, schaltete er das Licht aus und wollte gerade die Tür schließen, als er plötzlich einen leuchtenden Fleck in der Dunkelheit bemerkte. Es stellte sich heraus, dass ein Schirm aus synergistischem Barium leuchtete. Warum leuchtet er? Die Sonne war längst untergegangen, das elektrische Licht konnte kein Leuchten erzeugen, die Kathodenröhre war ausgeschaltet und zusätzlich mit einer schwarzen Papphülle abgedeckt. Röntgen schaute noch einmal auf die Kathodenröhre und machte sich Vorwürfe: Es stellte sich heraus, dass er vergessen hatte, sie auszuschalten. Der Wissenschaftler tastete nach dem Schalter und schaltete den Empfänger aus. Verschwunden und das Leuchten des Bildschirms; schaltete den Empfänger wieder ein – und das Leuchten erschien wieder. Das bedeutet, dass das Leuchten durch die Kathodenröhre verursacht wird! Aber wie? Schließlich werden Kathodenstrahlen durch eine Abdeckung verzögert, und der Luftspalt zwischen Röhre und Schirm dient für sie als Panzerung. Damit begann die Geburt der Entdeckung. Röntgen erholte sich von seinem vorübergehenden Erstaunen und begann, das entdeckte Phänomen und die neuen Strahlen, die er Röntgenstrahlen nannte, zu untersuchen. Er ließ das Gehäuse auf der Röhre, damit die Kathodenstrahlen abgedeckt waren, und begann, sich mit einem Bildschirm in der Hand durch das Labor zu bewegen. Es stellt sich heraus, dass eineinhalb bis zwei Meter für diese unbekannten Rochen kein Hindernis darstellen. Sie durchdringen leicht ein Buch, Glas, einen Rahmen ... Und als die Hand des Wissenschaftlers im Weg unbekannter Strahlen war, sah er auf dem Bildschirm die Silhouette ihrer Knochen! Fantastisch und gruselig! Aber das ist nur eine Minute, denn Röntgens nächster Schritt war ein Schritt zum Schrank, in dem die Fotoplatten lagen: Es gilt, das Gesehene auf dem Bild zu fixieren. So begann ein neues Nachtexperiment. Der Wissenschaftler entdeckt, dass die Strahlen die Platte beleuchten, dass sie nicht sphärisch um die Röhre herum divergieren, sondern eine bestimmte Richtung haben ... Am Morgen ging Röntgen erschöpft nach Hause, um sich ein wenig auszuruhen und dann wieder mit unbekannten Strahlen zu arbeiten. Die meisten Wissenschaftler würden eine solche Entdeckung sofort veröffentlichen. Röntgen hingegen glaubte, dass die Botschaft eindrucksvoller wäre, wenn es möglich wäre, einige Daten über die Natur der von ihm entdeckten Strahlen zu geben, indem man ihre Eigenschaften misst. Also arbeitete er fünfzig Tage lang hart und testete jede Annahme, die ihm in den Sinn kam. Röntgenstrahlen bewiesen, dass die Strahlen aus der Röhre kamen und nicht aus irgendeinem anderen Gerät. Kurz vor Neujahr, am 28. Dezember 1895, beschloss Röntgen, seine Kollegen mit der geleisteten Arbeit bekannt zu machen. Auf dreißig Seiten beschrieb er die durchgeführten Experimente, druckte den Artikel in Form einer separaten Broschüre und schickte ihn zusammen mit Fotografien an die führenden Physiker Europas. "Fluoreszenz ist sichtbar", schrieb Röntgen in seiner ersten Mitteilung, "bei genügender Verdunklung und hängt nicht davon ab, ob das Papier mit der mit Platin-Cyan-Barium beschichteten oder nicht beschichteten Seite aufgezogen wird. Fluoreszenz ist schon in einer Entfernung von zwei bemerkbar Meter von der Röhre entfernt.“ „Es lässt sich leicht nachweisen, dass die Ursachen der Fluoreszenz von der Entladungsröhre kommen und nicht von irgendeiner Stelle im Leiter.“ Röntgen schlug vor, dass die Fluoreszenz durch eine Art von Strahlen (er nannte sie Röntgenstrahlen) verursacht wurde, die durch die schwarze Pappe der Röhrenabdeckung gingen, die für gewöhnliche sichtbare und unsichtbare Lichtstrahlen undurchdringlich war. Deshalb untersuchte er zunächst die Absorptionsfähigkeit verschiedener Substanzen in Bezug auf Röntgenstrahlen. Er fand heraus, dass alle Körper für diesen Wirkstoff durchlässig sind, jedoch in unterschiedlichem Maße. Die Strahlen gingen durch ein gebundenes Buch mit 1000 Seiten, durch ein Doppeldeck aus Spielkarten. Fichtenbretter mit einer Dicke von 2 bis 3 Zentimetern absorbierten die Strahlen nur sehr wenig. Eine etwa 15 Millimeter dicke Aluminiumplatte schwächte die Strahlen zwar stark ab, zerstörte sie aber nicht vollständig. "Wenn Sie Ihre Hand zwischen das Entladungsrohr und den Bildschirm halten, können Sie die dunklen Schatten der Knochen in den schwachen Umrissen des Schattens der Hand selbst sehen." Die Strahlen wirken auf eine fotografische Platte, und "Sie können Bilder in einem beleuchteten Raum aufnehmen, indem Sie eine Platte verwenden, die in einer Kassette oder in einer Papierhülle eingeschlossen ist." Röntgen konnte jedoch weder Reflexion noch Brechung von Röntgenstrahlen feststellen. Er stellte jedoch fest, dass, wenn keine korrekte Reflexion "stattfinde, sich doch verschiedene Substanzen gegenüber Röntgenstrahlen so verhalten wie trübe Medien gegenüber Licht". Damit stellte Röntgen die wichtige Tatsache der Röntgenstreuung durch Materie fest. Alle seine Versuche, die Interferenz von Röntgenstrahlen zu erkennen, verliefen jedoch negativ. Ein negatives Ergebnis wurde auch bei Versuchen erzielt, Strahlen durch ein Magnetfeld abzulenken. Daraus schloss Röntgen, dass Röntgenstrahlen nicht mit Kathodenstrahlen identisch sind, sondern von ihnen in den Glaswänden der Entladungsröhre angeregt werden. Zum Abschluss seines Berichts erörtert Röntgen die Frage nach der möglichen Natur der von ihm entdeckten Strahlen: "Wenn wir fragen, was Röntgenstrahlen eigentlich sind (sie können keine Kathodenstrahlen sein), dann können wir sie nach ihrer intensiven chemischen Wirkung und Fluoreszenz dem ultravioletten Licht zuordnen. Aber in diesem Fall stehen wir sofort vor ernsthaften Hindernissen. In der Tat, wenn Röntgenstrahlen sind ultraviolettes Licht, dann sollte dieses Licht die Eigenschaften haben: a) Beim Übergang von Luft zu Wasser erfahren Schwefelkohlenstoff, Aluminium, Steinsalz, Glas, Zink usw. keine merkliche Brechung; b) keine wahrnehmbare korrekte Reflexion von diesen Körpern erfahren; c) nicht mit allen gängigen Mitteln polarisiert werden; d) seine Absorption hängt nicht von irgendwelchen Eigenschaften des Körpers ab, außer von der Dichte. Es wäre daher anzunehmen, dass sich diese ultravioletten Strahlen ganz anders verhalten als die bisher bekannten infraroten, sichtbaren und ultravioletten Strahlen. Ich konnte mich nicht entscheiden und begann nach einer anderen Erklärung zu suchen. Es scheint eine Beziehung zwischen neuen Strahlen und Lichtstrahlen zu bestehen. Dies wird durch Schattenbilder, Fluoreszenz und die von beiden Strahlenarten erzeugten chemischen Effekte angezeigt. Es ist seit langem bekannt, dass im Äther neben transversalen Lichtschwingungen auch longitudinale Schwingungen möglich sind. Einige Physiker glauben, dass sie existieren müssen. Ihre Existenz ist natürlich noch nicht eindeutig bewiesen und ihre Eigenschaften daher noch nicht experimentell untersucht worden. Sollten die neuen Strahlen nicht Längsschwingungen im Äther zugeschrieben werden? Ich muss gestehen, dass ich dieser Meinung immer mehr zuneige, und ich erlaube mir, diese Annahme hier zu äußern, obwohl ich natürlich weiß, dass sie weiterer Begründung bedarf. Im März 1896 machte Röntgen eine zweite Mitteilung. In dieser Mitteilung beschreibt er Versuche über die ionisierende Wirkung von Strahlen und über die Untersuchung der Anregung von Röntgenstrahlen durch verschiedene Körper. Als Ergebnis dieser Studien stellte er fest, dass "es keinen einzigen festen Körper gab, der unter der Einwirkung von Kathodenstrahlen keine Röntgenstrahlen anregen würde". Dies veranlasste Röntgen, die Röhre neu zu gestalten, um intensive Röntgenstrahlen zu erzeugen. "Seit mehreren Wochen verwende ich erfolgreich die Entladungsröhre des folgenden Gerätes. Seine Kathode ist ein konkaver Aluminiumspiegel, in dessen Krümmungszentrum in einem Winkel von 45 Grad zur Spiegelachse eine Platinplatte angeordnet ist platziert wird, die als Anode dient.“ „Bei dieser Röhre tritt die Röntgenstrahlung aus der Anode aus. Aufgrund von Versuchen mit Röhren unterschiedlicher Bauart kam ich zu dem Schluss, dass es für die Intensität der Röntgenstrahlung keine Rolle spielt, ob der Ort der Anregung der Strahlen ist.“ die Anode oder nicht." Auf diese Weise legte Röntgen die grundlegenden Konstruktionsmerkmale von Röntgenröhren mit einer Aluminiumkathode und einer Platin-Antikathode fest. Die Entdeckung des Röntgens hat nicht nur in der wissenschaftlichen Welt, sondern in der ganzen Gesellschaft große Resonanz hervorgerufen. Trotz des bescheidenen Titels, den Röntgen seinem Artikel gegeben hat: "Über eine neue Art von Strahlen. Vorläufige Mitteilungen", erregte er in verschiedenen Ländern großes Interesse. Der Wiener Professor Eksper berichtete der Zeitung „Neue Freie Presse“ von der Entdeckung neuer unsichtbarer Strahlen.In St. Petersburg wurden bereits am 22. Januar 1896 Röntgenversuche während einer Vorlesung im physikalischen Hörsaal der Universität wiederholt. Röntgenstrahlen fanden schnell praktische Anwendungen in Medizin und Technik, aber das Problem ihrer Natur blieb eines der wichtigsten in der Physik. Röntgenstrahlen entfachten die Kontroverse zwischen der Korpuskular- und der Wellennatur des Lichts neu, und viele Experimente wurden durchgeführt, um das Problem zu lösen. 1905 führte Charles Barkla, 1917 Nobelpreisträger für das Studium der Röntgenstrahlen (1877-1944), Messungen dieser gestreuten Strahlen durch, wobei er sich die Fähigkeit von Röntgenstrahlen zunutze machte, elektrifizierte Körper zu entladen. Die Intensität der Strahlen konnte bestimmt werden, indem die Geschwindigkeit gemessen wurde, mit der ein Elektroskop unter ihrer Einwirkung beispielsweise mit goldenen Blättern entladen wurde. Barkla untersuchte in einem brillanten Experiment die Eigenschaften von gestreuter Strahlung und verursachte ihre Sekundärstreuung. Er fand heraus, dass bei 90 Grad gestreute Strahlung bei 90 Grad nicht wieder gestreut werden konnte. Dies war ein überzeugender Beweis dafür, dass es sich bei den Röntgenstrahlen um Transversalwellen handelte. Auch die Befürworter der korpuskulären Sichtweise blieben nicht untätig. William Henry Bragg (1862–1942) betrachtete seine Daten als Beweis dafür, dass Röntgenstrahlen Teilchen waren. Er wiederholte Röntgens Beobachtungen und überzeugte sich von der Fähigkeit der Röntgenstrahlen, geladene Körper zu entladen. Es wurde festgestellt, dass dieser Effekt auf die Bildung von Ionen in der Luft zurückzuführen ist. Bragg fand heraus, dass zu viel Energie auf einzelne Gasmoleküle übertragen wird, als dass sie nur von einem kleinen Teil einer kontinuierlichen Wellenfront übertragen werden könnte. Diese Zeit scheinbarer Widersprüche – denn die Ergebnisse von Barkle und Bragg konnten nicht miteinander in Einklang gebracht werden – wurde 1912 durch ein einziges Experiment plötzlich beendet. Dieses Experiment wurde von einer glücklichen Kombination von Ideen und Menschen durchgeführt und kann als eine der größten Errungenschaften der Physik angesehen werden. Der erste Schritt wurde getan, als sich der Doktorand Ewald an den theoretischen Physiker Max Laue (1879–1960) wandte. Ewalds Idee, die Laue interessierte, war folgende. Um zu überprüfen, ob Röntgenstrahlen Wellen sind, muss ein Beugungsexperiment durchgeführt werden. Jedoch ist jedes künstliche Beugungssystem offensichtlich zu grob. Aber der Kristall ist ein natürliches Beugungsgitter, viel feiner als jedes künstlich hergestellte. Könnten Röntgenstrahlen von Kristallen gebeugt werden? Laue war kein Experimentator und brauchte Hilfe. Er bat Sommerfeld (1868–1951) um Rat, unterstützte ihn jedoch nicht und meinte, dass die thermische Bewegung die korrekte Struktur des Kristalls erheblich stören müsse. Sommerfeld weigerte sich, einem seiner Assistenten, Friedrich, Zeit mit solch bedeutungslosen Arbeiten zu verschwenden Experimente. Glücklicherweise war Friedrich anderer Meinung und führte dieses Experiment mit Hilfe seines Freundes Knipping (1883–1935) im Geheimen durch. Sie wählten einen Kupfersulfatkristall – diese Kristalle waren in den meisten Labors erhältlich – und bauten den Aufbau zusammen. Die erste Belichtung brachte kein Ergebnis; Die Platte wurde zwischen der Röhre – der Quelle der Röntgenstrahlen – und dem Kristall platziert, da angenommen wurde, dass der Kristall als reflektierendes Beugungsgitter wirken sollte. Im zweiten Experiment bestand Knipping darauf, rundherum um den Kristall herum Fotoplatten anzubringen, schließlich mussten alle Möglichkeiten in Betracht gezogen werden. Auf einer der Platten, die sich hinter dem Kristall im Strahlengang des Röntgenstrahls befand, wurde der gesuchte Effekt gefunden. So wurde die Röntgenbeugung entdeckt. 1914 erhielt Laue für diese Entdeckung den Nobelpreis. 1913 wiederholten G. V. Wulff in Russland, Vater und Sohn Bragg in England die Experimente von Laue und seinen Freunden mit einer wesentlichen Änderung: Sie richteten Röntgenstrahlen auf Kristalle in verschiedenen Winkeln zu ihrer Oberfläche. Der Vergleich von Röntgenbildern, die in diesem Fall auf Fotoplatten erhalten wurden, ermöglichte es den Forschern, die Abstände zwischen Atomen in Kristallen genau zu bestimmen. Die Braggs wurden 1915 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. So kamen zwei grundlegende wissenschaftliche Tatsachen in die Physik: Röntgenstrahlen haben die gleichen Welleneigenschaften wie Lichtstrahlen; Mit Hilfe von Röntgenstrahlen kann man nicht nur den inneren Aufbau des menschlichen Körpers erforschen, sondern auch in die Tiefen der Kristalle blicken. Mit Röntgenstrahlen konnten Wissenschaftler nun Kristalle von amorphen Körpern leicht unterscheiden, Verschiebungen in Atomketten in der Tiefe von lichtundurchlässigen Metallen und Halbleitern nachweisen, bestimmen, welche Veränderungen in der Struktur von Kristallen bei starker Erwärmung und tiefer Abkühlung auftreten Kompression und Spannung. Röntgen hat kein Patent angemeldet und seine Entdeckung der ganzen Menschheit preisgegeben. Dies ermöglichte es Designern aus der ganzen Welt, eine Vielzahl von Röntgengeräten zu erfinden. Ärzte wollten mit Hilfe von Röntgenbildern möglichst viel über die Beschwerden ihrer Patienten erfahren. Bald konnten sie nicht nur über Knochenbrüche urteilen, sondern auch über die strukturellen Merkmale des Magens, über die Lage von Geschwüren und Tumoren. Normalerweise ist der Magen für Röntgenstrahlen transparent, und der deutsche Wissenschaftler Rieder schlug vor, die Kranken vor dem Fotografieren zu füttern ... Bariumsulfatbrei. Bariumsulfat ist für den Körper harmlos und für Röntgenstrahlen viel weniger transparent als Muskeln oder inneres Gewebe. Die Bilder zeigten jegliche Verengung oder Erweiterung der menschlichen Verdauungsorgane. Bei neueren Röntgenröhren strahlt eine heiße Wolframspirale einen Elektronenstrom ab, gegen den sich eine Antikathode aus dünnen Eisen- oder Wolframplatten befindet. Elektronen schlagen einen starken Fluss von Röntgenstrahlen aus der Antikathode heraus. Außerhalb der Erde wurden leistungsstarke Röntgenquellen gefunden. In den Tiefen von Neu- und Supernovae finden Prozesse statt, bei denen hochintensive Röntgenstrahlung entsteht. Durch die Messung der auf die Erde einfallenden Röntgenstrahlenflüsse können Astronomen die Phänomene beurteilen, die viele Milliarden Kilometer von unserem Planeten entfernt auftreten. Ein neues Wissenschaftsgebiet ist entstanden – die Röntgenastronomie ... Die Technik des XNUMX. Jahrhunderts hätte ohne die Röntgenanalyse nicht über jene grandiose Konstellation verschiedener Materialien verfügen können, die ihr heute zur Verfügung stehen. Autor: Samin D. K.
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