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DESCUBRIMIENTOS CIENTÍFICOS MÁS IMPORTANTES
Radiación de rayos X. Historia y esencia del descubrimiento científico.
Directorio / Los descubrimientos científicos más importantes. En enero de 1896, un tifón de noticias periodísticas sobre el sensacional descubrimiento del profesor de la Universidad de Würzburg, Wilhelm Conrad Roentgen, arrasó Europa y América. Parecía que no había periódico que no hubiera publicado la fotografía de una mano que, como se supo más tarde, pertenecía a Bertha Roentgen, la esposa del profesor. Y el profesor Roentgen, encerrado en su laboratorio, continuó estudiando intensamente las propiedades de los rayos que había descubierto. El descubrimiento de los rayos X impulsó nuevas investigaciones. Su estudio condujo a nuevos descubrimientos, uno de los cuales fue el descubrimiento de la radiactividad. físico alemán Wilhelm Konrad Roentgen (1845-1923) nació en Lennep, un pequeño pueblo cerca de Remscheid en Prusia, y fue el único hijo de un exitoso comerciante textil, Friedrich Conrad Roentgen, y Charlotte Constance (nee Frowijn) Roentgen. En 1862, Wilhelm ingresó a la escuela técnica de Utrecht. En 1865, Roentgen se matriculó como estudiante en el Instituto Federal de Tecnología de Zúrich, ya que tenía la intención de convertirse en ingeniero mecánico. Tres años más tarde, Wilhelm recibió un diploma y un año más tarde defendió su tesis doctoral en la Universidad de Zúrich. Después de eso, Kundt nombró a Roentgen como primer asistente en el laboratorio. Habiendo recibido la cátedra de física en la Universidad de Würzburg (Baviera), Kundt se llevó a su asistente con él. El traslado a Würzburg fue el comienzo de una "odisea intelectual" para Roentgen. En 1872, junto con Kundt, se trasladó a la Universidad de Estrasburgo y en 1874 comenzó allí su carrera docente como profesor de física. En 1875, Roentgen se convirtió en profesor titular (real) de física en la Academia Agrícola de Hohenheim (Alemania), y en 1876 regresó a Estrasburgo para comenzar a leer un curso de física teórica allí. La investigación experimental llevada a cabo por Roentgen en Estrasburgo tocó varias áreas de la física y, según su biógrafo Otto Glaser, le dio a Roentgen la reputación de "un sutil físico experimental clásico". En 1879, Roentgen fue nombrado profesor de física en la Universidad de Hesse, donde permaneció hasta 1888, rechazando ofertas para ocupar la cátedra de física sucesivamente en las universidades de Jena y Utrecht. En 1888 regresó a la Universidad de Würzburg como profesor de física y director del Instituto de Física. En 1894, cuando Roentgen fue elegido rector de la universidad, inició estudios experimentales de descargas eléctricas en tubos de vacío de vidrio. La tarde del 8 de noviembre de 1895, Roentgen, como de costumbre, estaba trabajando en su laboratorio estudiando los rayos catódicos. Alrededor de la medianoche, sintiéndose cansado, se dispuso a salir, mirando alrededor del laboratorio, apagó la luz y estaba a punto de cerrar la puerta, cuando de repente notó un punto luminoso en la oscuridad. Resulta que una pantalla hecha de hidruro azul de bario estaba brillando. ¿Por qué brilla? El sol se había puesto hacía mucho tiempo, la luz eléctrica no podía producir brillo, el tubo catódico estaba apagado y, además, estaba cubierto con una funda de cartón negro. Rayos X volvió a mirar el tubo catódico y se reprochó: resulta que se olvidó de apagarlo. Al sentir el interruptor, el científico apagó el receptor. El brillo de la pantalla también desapareció; Volvió a encender el teléfono y volvió a aparecer el brillo. ¡Esto significa que el brillo es causado por el tubo catódico! ¿Pero cómo? Después de todo, los rayos catódicos son retenidos por la cubierta, y el espacio de aire de un metro de largo entre el tubo y la pantalla es una armadura para ellos. Así comenzó el nacimiento del descubrimiento. Tras recuperarse de su momentáneo asombro, Roentgen comenzó a estudiar el fenómeno descubierto y nuevos rayos, a los que llamó rayos X. Dejando el estuche sobre el tubo para que los rayos catódicos quedaran cubiertos, comenzó a moverse por el laboratorio con la pantalla en sus manos. Resulta que entre uno y medio y dos metros no es una barrera para estos rayos desconocidos. Penetran fácilmente en un libro, un cristal, una resina... Y cuando la mano del científico se encontró en el camino de unos rayos desconocidos, ¡vio en la pantalla la silueta de sus huesos! ¡Fantástico y espeluznante! Pero esto fue sólo un minuto, porque el siguiente paso de Roentgen fue ir al gabinete donde estaban las placas fotográficas: necesitaba registrar lo que veía en la imagen. Así comenzó un nuevo experimento nocturno. El científico descubre que los rayos iluminan la placa, que no divergen esféricamente alrededor del tubo, sino que tienen una dirección determinada... Por la mañana, exhausto, Roentgen se fue a casa a descansar un poco y luego comenzó a trabajar nuevamente con rayos desconocidos. La mayoría de los científicos publicaría inmediatamente tal descubrimiento. Roentgen, por su parte, creía que el mensaje sería más impresionante si fuera posible dar algunos datos sobre la naturaleza de los rayos descubiertos por él, midiendo sus propiedades. Así que trabajó duro durante cincuenta días, probando todas las suposiciones que se le ocurrieron. Los rayos X demostraron que los rayos procedían del tubo y no de ningún otro aparato. Justo antes del Año Nuevo, el 28 de diciembre de 1895, Roentgen decidió dar a conocer a sus colegas el trabajo realizado. En treinta páginas, describió los experimentos realizados, imprimió el artículo en forma de folleto separado y lo envió junto con fotografías a los principales físicos de Europa. "La fluorescencia es visible", escribió Roentgen en su primera comunicación, "con un oscurecimiento suficiente y no depende de si el papel se levanta con el lado cubierto o no con platino-cianógeno bario. La fluorescencia es perceptible incluso a una distancia de dos metros del tubo.” "Es fácil verificar que las causas de la fluorescencia provienen del tubo de descarga y no de cualquier lugar del conductor". Roentgen sugirió que la fluorescencia era causada por algún tipo de rayos (él los llamó rayos X) que pasaban a través del cartón negro de la cubierta del tubo, que era impenetrable a los rayos de luz visibles e invisibles ordinarios. Por lo tanto, en primer lugar, investigó la capacidad de absorción de varias sustancias en relación con los rayos X. Encontró que todos los cuerpos son permeables a este agente, pero en diversos grados. Los rayos atravesaron un libro encuadernado de 1000 páginas, a través de una doble baraja de naipes. Las tablas de abeto de 2 a 3 centímetros de espesor absorbieron muy poco los rayos. Una placa de aluminio de unos 15 milímetros de espesor, aunque debilitó mucho los rayos, no los destruyó por completo. "Si coloca su mano entre el tubo de descarga y la pantalla, puede ver las sombras oscuras de los huesos en los contornos tenues de la sombra de la mano". Los rayos actúan sobre una placa fotográfica y "se pueden tomar fotografías en una habitación iluminada, utilizando una placa encerrada en un casete o en una carcasa de papel". Roentgen, sin embargo, no pudo detectar ni la reflexión ni la refracción de los rayos X. Sin embargo, estableció que, si la reflexión correcta "no tiene lugar, varias sustancias se comportan en relación con los rayos X de la misma manera que los medios turbios en relación con la luz". Así, Roentgen estableció el importante hecho de la dispersión de rayos X por la materia. Sin embargo, todos sus intentos por detectar la interferencia de los rayos X dieron un resultado negativo. Los intentos de desviar los rayos por un campo magnético también dieron un resultado negativo. A partir de esto, Roentgen concluyó que los rayos X no son idénticos a los rayos catódicos, sino que son excitados por ellos en las paredes de vidrio del tubo de descarga. En la conclusión de su informe, Roentgen analiza la cuestión de la posible naturaleza de los rayos que descubrió: "Si preguntamos qué son realmente los rayos X (no pueden ser rayos catódicos), entonces, a juzgar por su intensa acción química y fluorescencia, podemos atribuirlos a la luz ultravioleta. Pero en este caso nos enfrentamos de inmediato a serios obstáculos. De hecho, si Los rayos X son luz ultravioleta, entonces esta luz debe tener las propiedades: a) al pasar del aire al agua, el bisulfuro de carbono, el aluminio, la sal gema, el vidrio, el zinc, etc., no experimenten ninguna refracción apreciable; b) no experimentar ningún reflejo correcto perceptible de estos cuerpos; c) no polarizarse por todos los medios comunes; d) su absorción no depende de ninguna propiedad del cuerpo, excepto de la densidad. Por lo tanto, sería necesario suponer que estos rayos ultravioleta se comportan de manera muy diferente a los rayos infrarrojos, visibles y ultravioleta conocidos hasta ahora. No podía decidir sobre esto y comencé a buscar otra explicación. Parece existir alguna relación entre los nuevos rayos y los rayos de luz. Esto se indica mediante imágenes de sombra, fluorescencia y los efectos químicos producidos por ambos tipos de rayos. Desde hace mucho tiempo se sabe que, además de las vibraciones de luz transversales, también son posibles vibraciones longitudinales en el éter. Algunos físicos creen que deben existir. Su existencia, por supuesto, aún no ha sido claramente probada y, por lo tanto, sus propiedades aún no han sido estudiadas experimentalmente. ¿No deberían atribuirse los nuevos rayos a vibraciones longitudinales en el éter? Debo confesar que me inclino cada vez más a esta opinión, y me tomo la libertad de expresar aquí esta suposición, aunque sé, por supuesto, que necesita mayor fundamentación. En marzo de 1896 Roentgen hizo una segunda comunicación. En esta comunicación describe experimentos sobre la acción ionizante de los rayos y sobre el estudio de la excitación de los rayos X por varios cuerpos. Como resultado de estos estudios, afirmó que "no había un solo cuerpo sólido que, bajo la acción de los rayos catódicos, no excitara los rayos X". Esto llevó a Roentgen a rediseñar el tubo para producir rayos X intensos. "He estado usando con éxito el tubo de descarga del siguiente dispositivo durante varias semanas. Su cátodo es un espejo cóncavo de aluminio, en el centro de la curvatura del cual, en un ángulo de 45 grados con respecto al eje del espejo, una placa de platino se coloca, que sirve de ánodo". "En este tubo, los rayos X salen del ánodo. Basado en experimentos con tubos de varios diseños, llegué a la conclusión de que no importa para la intensidad de los rayos X si el lugar de excitación de los rayos es el ánodo o no". Así, Roentgen estableció las características básicas de diseño de los tubos de rayos X con un cátodo de aluminio y un anticátodo de platino. El descubrimiento de Roentgen causó una gran resonancia no solo en el mundo científico, sino en toda la sociedad. A pesar del modesto título que Roentgen le dio a su artículo: "Sobre un nuevo tipo de rayos. Comunicación preliminar", despertó gran interés en varios países. El profesor vienés Eksper informó del descubrimiento de nuevos rayos invisibles al diario New Free Press.En San Petersburgo, ya el 22 de enero de 1896, se repitieron los experimentos de Roentgen durante una conferencia en el auditorio de física de la universidad. Los rayos Roentgen encontraron rápidamente aplicaciones prácticas en medicina y tecnología, pero el problema de su naturaleza siguió siendo uno de los más importantes en física. Los rayos X reavivaron la controversia entre la naturaleza corpuscular y ondulatoria de la luz, y se llevaron a cabo muchos experimentos para resolver el problema. En 1905, Charles Barkla, premio Nobel de 1917 por el estudio de los rayos X (1877-1944), realizó mediciones de estos rayos dispersos, aprovechando la capacidad de los rayos X para descargar cuerpos electrificados. La intensidad de los rayos podía determinarse midiendo la velocidad con la que, bajo su acción, se descargaba un electroscopio, digamos, con hojas de oro. Barkla en un brillante experimento investigó las propiedades de la radiación dispersa, provocando su dispersión secundaria. Descubrió que la radiación dispersada a 90 grados no podía volver a dispersarse a 90 grados. Esta fue una evidencia convincente de que los rayos X eran ondas transversales. Los defensores del punto de vista corpuscular tampoco se quedaron ociosos. William Henry Bragg (1862-1942) consideró que sus datos eran una prueba de que los rayos Roentgen eran partículas. Repitió las observaciones de Roentgen y se convenció de la capacidad de los rayos X para descargar cuerpos cargados. Se encontró que este efecto se debe a la formación de iones en el aire. Bragg descubrió que se transfiere demasiada energía a las moléculas de gas individuales para que sea transferida solo por una pequeña parte de un frente de onda continuo. Este período de aparente contradicción -porque los resultados de Barkle y Bragg no podían conciliarse entre sí- llegó a su fin abruptamente en 1912 mediante un solo experimento. Este experimento se logró mediante una feliz combinación de ideas y personas y puede considerarse uno de los mayores logros de la física. El primer paso se dio cuando el estudiante graduado Ewald recurrió al físico teórico Max Laue (1879-1960). La idea de Ewald, que interesó a Laue, era la siguiente. Para comprobar si los rayos X son ondas, se debe realizar un experimento de difracción. Sin embargo, cualquier sistema de difracción artificial es obviamente demasiado tosco. Pero el cristal es una rejilla de difracción natural, mucho más fina que cualquier artificial. ¿Podrían los rayos X ser difractados por cristales? Laue no era un experimentador y necesitaba ayuda. Pidió consejo a Sommerfeld (1868-1951), pero este no lo apoyó, diciendo que el movimiento térmico debería perturbar en gran medida la estructura correcta del cristal. Sommerfeld se negó a permitir que uno de sus asistentes, Friedrich, perdiera el tiempo en cosas tan inútiles. experimentos. Afortunadamente, Friedrich tenía una opinión diferente y, con la ayuda de su amigo Knipping (1883-1935), llevó a cabo este experimento en secreto. Seleccionaron un cristal de sulfato de cobre (estos cristales estaban disponibles en la mayoría de los laboratorios) y montaron la instalación. La primera exposición no produjo ningún resultado; la placa se colocó entre el tubo, la fuente de los rayos X, y el cristal, ya que se creía que el cristal debía actuar como una rejilla de difracción reflectante. En el segundo experimento, Knipping insistió en colocar placas fotográficas en todos los lados alrededor del cristal: después de todo, había que tener en cuenta todas las posibilidades. En una de las placas, situada detrás del cristal en la trayectoria del haz de rayos X, se encontró el efecto que buscaban. Así fue como se descubrió la difracción de rayos X. En 1914, Laue recibió el Premio Nobel por este descubrimiento. En 1913, G. V. Wulff en Rusia, padre e hijo Bragg en Inglaterra, repitieron los experimentos de Laue y sus amigos con un cambio significativo: dirigieron rayos X a cristales en diferentes ángulos de su superficie. La comparación de las imágenes de rayos X obtenidas en este caso en placas fotográficas permitió a los investigadores determinar con precisión las distancias entre los átomos en los cristales. Los Bragg recibieron el Premio Nobel en 1915. Así llegaron a la física dos hechos científicos fundamentales: los rayos X tienen las mismas propiedades de onda que los rayos de luz; Con la ayuda de los rayos X, puede explorar no solo la estructura interna del cuerpo humano, sino también observar las profundidades de los cristales. Usando rayos X, los científicos ahora podían distinguir fácilmente los cristales de los cuerpos amorfos, detectar cambios en las cadenas atómicas en las profundidades de los metales y semiconductores que son opacos a la luz, determinar qué cambios en la estructura de los cristales ocurren durante el calentamiento intenso y el enfriamiento profundo, durante compresión y tensión. Roentgen no tomó una patente, dando su descubrimiento a toda la humanidad. Esto hizo posible que diseñadores de todo el mundo inventaran una variedad de máquinas de rayos X. Los médicos querían aprender todo lo posible sobre las dolencias de sus pacientes con la ayuda de rayos X. Pronto pudieron juzgar no solo sobre fracturas óseas, sino también sobre las características estructurales del estómago, sobre la ubicación de úlceras y tumores. Por lo general, el estómago es transparente a los rayos X, y el científico alemán Rieder sugirió alimentar a los enfermos antes de fotografiar... gachas de sulfato de bario. El sulfato de bario es inofensivo para el cuerpo y mucho menos transparente a los rayos X que los músculos o los tejidos internos. Las imágenes mostraban cualquier estrechamiento o expansión de los órganos digestivos humanos. En los tubos de rayos X más recientes, una espiral de tungsteno caliente irradia una corriente de electrones contra los que se encuentra un anticátodo de placas delgadas de hierro o tungsteno. Los electrones eliminan un fuerte flujo de rayos X del anticátodo. Se han encontrado poderosas fuentes de rayos X fuera de la Tierra. En las profundidades de las novas y supernovas tienen lugar procesos durante los cuales aparece radiación de rayos X de alta intensidad. Midiendo los flujos de radiación de rayos X que llegan a la Tierra, los astrónomos pueden juzgar los fenómenos que ocurren a muchos miles de millones de kilómetros de nuestro planeta. Ha surgido un nuevo campo de la ciencia: la astronomía de rayos X... La tecnología del siglo XX no podría, sin el análisis de rayos X, tener a su disposición esa magnífica constelación de diversos materiales que tiene hoy. Autor: Samin D.K.
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