ویلهلم کنراد رونتگن کاشف اشعه ایکس و برنده اولین جایزه نوبل فیزیک کیست؟

ویلهلم کنراد رونتگن (Wilhelm Conrad Roentgen) در سال 1845 در شهر رمشاید (Remscheid) آلمان به دنیا آمد. در کودکی هیچ علاقه و استعداد خاصی جز عشق به طبیعت و اشتیاق به ساختن ابزار مکانیکی نداشت و جالب است بدانید به اتهام همراه داشتن کاریکاتور یکی از معلمان، از دبیرستان اخراج شد و یا در 20 سالگی برای ورود به رشته فیزیک دانشگاه اوترخت (Utrecht) فاقد صلاحیت علمی شناخته شد. جالبی این دو مورد را در ادامه متوجه خواهید شد!

در نهایت با گذراندن درس های پیش نیاز به عنوان دانشجوی مهندسی مکانیک در دانشگاه پلی تکنیک زوریخ پذیرفته شد. رونتگن تحت تاثیر استادش رودلف کلاوزیوس به مطالعه گازها علاقمند شد و سال 1869 دکترایش در رشته فیزیک را با ارائه رساله ای در مورد حالت گازها با راهنمایی آگوست کنت از دانشگاه زوریخ دریافت کرد. 19 سال بعد را در دانشگاه های مختلف مشغول به کار بود و به تدریج به عنوان دانشمندی برجسته اعتبار کسب کرد اما در خارج از دنیای علم، ناشناخته بود. سال 1888 استاد و رئیس موسسه فیزیک دانشگاه وورتسبورگ شد. 7 سال بعد در حالی که هنوز در همین موسسه اشتغال داشت، روز هیجان انگیزی را تجربه کرد که تغییری در دنیا به وجود آورد.

امروزه تصور علم پزشکی بدون انواع عکسبرداری های تشخیصی با اشعه X غیر ممکن به نظر می رسد، اما همین اتفاق و دیدن تصویر اسکلت بدن انسان زنده در دوران رونتگن (حدود 122 سال پیش)، یک شگفتی وحشتناک بود. شما می توانید با این دانشمند نابغه و کشف اشعه X بیشتر آشنا شوید؛ پس ادامه دهید.

اواخر قرن نوزدهم بسیاری از فیزیکدانان به مطالعه پرتوهایی علاقمند شده بودند که سال 1869 یوهان هیتورف آنها را کشف کرد و 7 سال بعد یوگن گلدشتاین نام «پرتوهای کاتدی» را برایشان برگزید. این پرتو وقتی شکل می گرفت که برق ولتاژ قوی بین دو الکترود که داخل لوله شیشه ای تقریباً خالی از هوا (لوله کروکس یا لامپ تخلیه) قرار داشت، برقرار می شد. لوله کروکس که در آن زمان مورد استفاده بسیاری از فیزیکدانان قرار می گرفت شامل یک حباب شیشه ای بود که تقریباً هوایش تخلیه کامل شده و دو الکترود به فاصله چند سانتی متر از یکدیگر درونش جای داشتند. با برقراری اختلاف پتانسیل زیاد در حدود چندین هزار ولت بین الکترودها، اشعه کاتودیک از کاتد (قطب منفی) به طرف آنُد (قطب مثبت) جریان می یافت تا به جداره لوله اصابت کند. خیلی زود معلوم شد که پرتو کاتدی در واقع جریانی از الکترون های با سرعت بالا و با بار منفی است.

نوامبر سال 1895 رونتگن تحقیقاتی را در این زمینه در آزمایشگاهی که در زیر زمین خانه اش ساخته بود، آغاز کرد. روز 8 نوامبر (18 آبان) او کاملاً اتفاقی متوجه شد که صفحه عکاسی که در پوشش کاغذی سیاه پیچیده شده و در کیف چرمی در انتهای کشوی میزش قرار داشت بطور اسرارآمیزی در معرض نور قرار گرفته و تصویر شبح گونه کلیدی روی آن نقش بسته است. معمای عجیبی بود. بلافاصله درون کشو را جستجو کرد و تنها کلیدی را که یافت کلیدی بزرگ سُربی درِ باغ بود که سال قبل انتهای کشو انداخته بود. دقیقاً تصویر این کلید بود که روی صفحه عکاسی نقش بسته بود. او متوجه شد که کلید در خط مستقیم بین لوله کروکس که روی دیوار بود و صفحه عکاسی، قرار داشت. اما کدام پرتو از لوله کروکس خارج شده و توانسته بود از میز و کاغذ سیاه و چرم عبور کند و بر صفحه عکاسی اثر بگذارد؟

فرضیه رونتگن این بود که تابشی نامرئی و ناشناخته از داخل لامپ تخلیه (لوله کروکس) بر صفحه عکاسی تاثیر گذاشته است. او می دانست که اشعه کاتدی نمی تواند علت باشد چون پرتوهای کاتدی قابلیت انتشار و رسوخ ندارند و چند سانتی متر از هوا به سهولت آنها را متوقف می کند. رونتگن برای آزمودن فرضیه اش لوله کروکس را با کاغذ سیاه ضخیمی کاملاً پوشاند تا امکان خروج هیچ نوری از آن وجود نداشته باشد. آنگاه برای آنکه موثر بودن پوشش را بیازماید، اتاق را تاریک و سیم پیچ پُر ولتاژ را روشن کرد تا لامپ به کار افتد. وقتی مطمئن شد پوشش سیاهی که ساخته است کاملاً لامپ را می پوشاند و به هیچ نوری اجازه عبور نمی دهد، رفت که سیم پیچ را خاموش و چراغ های اتاق را روشن کند. اما همان لحظه متوجه نور ضعیفی شد که از فاصله حدود یک متری زیر لامپ تخلیه می درخشید. اول تصور کرد شاید خطای دید باشد. وقتی بار دیگر مقداری الکتریسیته را از لامپ کاتدی تخلیه کرد، دید باز هم نوری که همچون ابرهای سبز محوی همگام با افت و خیز تخلیه های الکتریکی لامپ کاتدی حرکت می کرد، در همان نقطه ظاهر شد. رونتگن به سرعت کبریتی روشن کرد و با شگفتی دید که منشاء آن نور مرموز صفحه فلوئورسان کوچکی است که در یک متری لامپ روی میز قرار دارد. پرتو کاتدی نمی توانست چنین فاصله ای را طی کند پس رونتگن بلافاصله پی برد که پدیده کاملاً جدیدی را مشاهده کرده است.

رونتگن که هیجانی زائد الوصف داشت با تعطیل کردن تمام کارهایش همه وقتش را صرف شناخت این پرتو اسرارآمیز کرد. او با الهام از تصویر کلید سربی می دانست که این پرتو قادر به عبور از سرب نیست. روزی وقتی مشغول قرار دادن یک قطعه سرب مقابل لوله بود، حرکت شبح واری را روی صفحه فلوئورسان مشاهده کرد.

وقتی متوجه شد که این شبح، جزئیات استخوان های دست و بازویش است که روی صفحه فلوئورسان دیده می شود، غرق حیرت و شگفتی شد. وقتی انگشتش را تکان داد طرح استخوان انگشت او هم که با نور سبز مشخص بود حرکت کرد. او اشعه جدیدی را کشف کرده بود. رونتگن 6 هفته پس از آن، این پرتو ناشناخته را بررسی کرد و سرانجام یافته هایش را 28 دسامبر 1895 در مقاله ای با عنوان «رساله ای مقدماتی درباره نوعی پرتو جدید» منتشر کرد. با اینکه رونتگن ویژگی های اساسی این پرتو جدید را در مقاله اش به دقت شرح داد اما به دلیل ناشناخته بودن ماهیت آن و همچنین به خاطر فروتنی ذاتی رونتگن، آن را اشعه X یا پرتو مجهول یا X-radiation نامید. هر چند امروزه به اشعه رونتگن هم معروف است.

کشفی که جهان را تکان داد.

انتشار مقاله رونتگن بلافاصله هیجان فراوانی به وجود آورد و توجه محافل علمی را به خود جلب کرد. خبر کشف اشعه جدید به سرتیتر تمام روزنامه های جهان تبدیل شد و رونتگن یک شبه به شهرت عالم گیری رسید. در تاریخ علم کمتر واقعه ای به اندازه کشف رونتگن چنین تاثیر شگرفی داشته است. هنوز یکسال از انتشار مقاله اولش نگذشته بود که 49 کتاب و رساله و بیش از هزار مقاله درباره پرتوهای ایکس منتشر شد. کشف رونتگن الهام بخش دانشمندان دیگری مانند آنتوان هانری بکرل (Antoine Henri Becquerel)، ماری کوری (Marie Curie)، ارنست رادرفورد (Ernest Rutherford) و ماکس پلانک (Max Planck) شد تا با ادامه تحقیقات در مورد پرتوها و با کشف مواد رادیواکتیو و شناخت دقیق تر ساختار ماده زمینه را برای تولد فیزیک مدرن فراهم کنند.

ایجاد اشعه ایکس آنقدر آسان بود که به زودی کاربرد عملی پیدا کرد. فقط 4 روز پس از رسیدن خبر کشف رونتگن به آمریکا، با استفاده از اشعه ایکس توانستند محل یک گلوله را در پای مجروحی پیدا کنند. اشعه ایکس علاوه بر عکسبرداری از اعضای داخلی بدن در زیست شناسی، ستاره شناسی، بلورشناسی و در عکسبرداری از درون اشیای جامد و در محصولات صنعتی از قبیل لوله ها نیز کاربرد دارد. این اشعه به ویژه در مورد ساختار اتمی و مولکولی اطلاعات زیادی را برای دانشمندان فراهم کرده است.

برای عکسبرداری با اشعه ایکس قسمتی از عضو بیمار را که قصد بررسی آن را دارند روی فیلم قرار می دهند و سپس به آن قسمت اشعه ایکس تابیده می شود. اشعه ایکس از پوست و عضلات عبور کرده و به صفحه حساس برخورد می کند. رنگ این قسمت ها بعد از ظاهر شدن سیاه دیده می شود.

استفاده از پرتو ایکس اولین روش غیر مخربی بود که به پزشکان اجازه داد درون بدن انسان را ببینند. پرتو ایکس برای تشخیص های پزشکی و دندانپزشکی کاربرد دارد. همچنین از آن در رادیوتراپی و نابود کردن تومورهای خطرناک یا متوقف کردن رشدشان استفاده می شود. به دلیل کاربردهای وسیع پرتو ایکس در رادیوگرافی (پرتونگاری) و رادیولوژی (پرتوشناسی)، 8 نوامبر (18 آبان) روز کشف این اشعه را روز جهانی رادیولوژی نامیده اند.

اشعه ایکس نوعی از تابش الکترومغناطیسی با طول موج حدود 0.1 تا 10 نانومتر و انرژی بین 100 تا 100,000 الکترون ولت است که در لوله اشعه ایکس و به روش زیر تولید می شود:

1. هوای درون لوله باید به مقدار زیادی تخلیه شود.
2. دو قطب الکتریکی در دو سر لوله تعبیه می کنند.
3. یکی از قطب ها به جریان مثبت و آن دیگری به جریان منفی وصل می شود.
4. الکترون ها میان دو قطب حرکت می کنند.
5. بیشترین مقدار انرژی الکترون ها به گرما تبدیل می شود ولی بخشی هم به اشعه ایکس تبدیل می گردد.

سال 2004 اتحادیه بین المللی شیمی محض و کاربردی (IUPAC) عنصر 111 جدول تناوبی را به افتخار رونتگن، رونتگنیوم (Roentgenium) نامگذاری کرد.

رونتگن به حق، یکی از مشهورترین دانشمندان عصر خود شد و اولین جایزه نوبل فیزیک برای کشف اشعه ایکس در سال 1901 به او تعلق گرفت. انسانی کم حرف و فروتن بود و ترجیح می داد به تنهایی در زیر زمین خانه اش کار کند. وسائل و ابزارهای مورد نیازش را خودش می ساخت. عاشق طبیعت و کوهنوردی بود و سرانجام در سال 1923 در سن 78 سالگی در اثر سرطان روده در مونیخ درگذشت.

منابع

مقاله علمی و آموزشی «ویلهلم کنراد رونتگن کاشف اشعه ایکس و برنده اولین جایزه نوبل فیزیک کیست؟»، نتیجه ی تحقیق و پژوهش، گردآوری و نگارش هیئت تحریریه علمی پورتال یو سی (شما می توانید) می باشد. در این راستا گزارش موسی توماج ایری در مجله دانشمند، به عنوان منبع اصلی مورد استفاده قرار گرفته است.