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DESCOBERTAS CIENTÍFICAS MAIS IMPORTANTES
Radiação de raios X. História e essência da descoberta científica
Diretório / As descobertas científicas mais importantes Em janeiro de 1896, um tufão de reportagens de jornais varreu a Europa e a América sobre a sensacional descoberta de Wilhelm Conrad Roentgen, professor da Universidade de Würzburg. Parecia que não havia jornal que não publicasse a foto da mão, que, como se descobriu mais tarde, pertencia a Bertha Roentgen, a esposa do professor. E o professor Roentgen, tendo se trancado em seu laboratório, continuou a estudar intensamente as propriedades dos raios que havia descoberto. A descoberta dos raios X deu impulso a novas pesquisas. Seu estudo levou a novas descobertas, uma das quais foi a descoberta da radioatividade. físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) nasceu em Lennep, uma pequena cidade perto de Remscheid, na Prússia, e era filho único de um comerciante têxtil de sucesso, Friedrich Konrad Roentgen, e Charlotte Constance (nee Frowijn) Roentgen. Em 1862, Wilhelm entrou na escola técnica de Utrecht. Em 1865, Roentgen foi matriculado como estudante no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique, pois pretendia se tornar engenheiro mecânico. Três anos depois, Wilhelm recebeu um diploma e, um ano depois, defendeu sua tese de doutorado na Universidade de Zurique. Depois disso, Roentgen foi nomeado por Kundt como o primeiro assistente do laboratório. Tendo recebido a cadeira de física na Universidade de Würzburg (Baviera), Kundt levou seu assistente com ele. A mudança para Würzburg foi o início de uma "odisseia intelectual" para Roentgen. Em 1872, junto com Kundt, mudou-se para a Universidade de Estrasburgo e em 1874 começou sua carreira docente lá como professor de física. Em 1875, Roentgen tornou-se professor titular (real) de física na Academia Agrícola de Hohenheim (Alemanha), e em 1876 retornou a Estrasburgo para começar a ler um curso de física teórica lá. A pesquisa experimental realizada por Roentgen em Estrasburgo tocou várias áreas da física e, nas palavras de seu biógrafo Otto Glaser, rendeu a Roentgen a reputação de "físico experimental clássico sutil". Em 1879, Roentgen foi nomeado professor de física na Universidade de Hesse, onde permaneceu até 1888, recusando ofertas para assumir sucessivamente a cadeira de física nas universidades de Jena e Utrecht. Em 1888 retornou à Universidade de Würzburg como professor de física e diretor do Instituto de Física. Em 1894, quando Roentgen foi eleito reitor da universidade, iniciou pesquisas experimentais sobre descarga elétrica em tubos de vácuo de vidro. Na noite de 8 de novembro de 1895, Roentgen trabalhava como sempre em seu laboratório, estudando raios catódicos. Por volta da meia-noite, sentindo-se cansado, ele estava para sair. Depois de olhar ao redor do laboratório, apagou a luz e estava prestes a fechar a porta, quando de repente percebeu uma espécie de ponto luminoso na escuridão. Acontece que uma tela feita de bário sinérgico estava brilhando. Por que ele está brilhando? O sol havia se posto há muito tempo, a luz elétrica não podia causar brilho, o tubo catódico estava desligado e, além disso, coberto com uma capa de papelão preto. Roentgen olhou novamente para o tubo catódico e censurou-se: acontece que ele se esqueceu de desligá-lo. Procurando o interruptor, o cientista desligou o receptor. Desapareceu e o brilho da tela; ligou o receptor novamente - e o brilho apareceu novamente. Isso significa que o brilho é causado pelo tubo catódico! Mas como? Afinal, os raios catódicos são retardados pela tampa, e a lacuna do medidor de ar entre o tubo e a tela é uma armadura para eles. Assim começou o nascimento da descoberta. Recuperado de seu espanto momentâneo, Roentgen começou a estudar o fenômeno descoberto e os novos raios, que chamou de raios-x. Deixando a caixa no tubo para que os raios catódicos fossem cobertos, ele começou a se movimentar pelo laboratório com uma tela nas mãos. Acontece que um metro e meio a dois metros não é um obstáculo para esses raios desconhecidos. Eles penetram facilmente em um livro, vidro, moldura... E quando a mão do cientista estava no caminho de raios desconhecidos, ele viu na tela a silhueta de seus ossos! Fantástico e assustador! Mas isso é apenas um minuto, porque o próximo passo de Roentgen foi um passo para o armário onde estavam as placas fotográficas: é necessário consertar o que ele viu na foto. Assim começou uma nova experiência noturna. O cientista descobre que os raios iluminam a placa, que não divergem esfericamente em torno do tubo, mas têm uma certa direção... De manhã, exausto, Roentgen foi para casa descansar um pouco e depois recomeçar a trabalhar com raios desconhecidos. A maioria dos cientistas publicaria imediatamente tal descoberta. Roentgen, por outro lado, acreditava que a mensagem seria mais impressionante se fosse possível fornecer alguns dados sobre a natureza dos raios descobertos por ele, medindo suas propriedades. Então ele trabalhou duro por cinquenta dias, testando cada suposição que lhe veio à mente. Os raios X provaram que os raios vinham do tubo e não de qualquer outro aparelho. Pouco antes do Ano Novo, em 28 de dezembro de 1895, Roentgen decidiu informar seus colegas sobre o trabalho realizado. Em trinta páginas, ele descreveu os experimentos realizados, imprimiu o artigo na forma de um folheto separado e o enviou junto com fotografias aos principais físicos da Europa. "A fluorescência é visível", escreveu Roentgen em sua primeira comunicação, "com escurecimento suficiente e não depende se o papel é trazido com o lado revestido ou não com platina-cianogênio bário. A fluorescência é perceptível mesmo a uma distância de dois metros do tubo.” "É fácil verificar que as causas da fluorescência vêm do tubo de descarga, e não de qualquer lugar do condutor." Roentgen sugeriu que a fluorescência era causada por algum tipo de raios (ele os chamou de raios X) passando pelo papelão preto da tampa do tubo, impermeável aos raios de luz comuns visíveis e invisíveis. Portanto, ele, em primeiro lugar, investigou a capacidade de absorção de várias substâncias em relação aos raios X. Ele descobriu que todos os corpos são permeáveis a esse agente, mas em graus variados. As vigas passavam por um livro encadernado de 1000 páginas, por um baralho duplo de cartas de baralho. Placas de abeto de 2 a 3 centímetros de espessura absorveram muito pouco os raios. Uma placa de alumínio com cerca de 15 milímetros de espessura, embora tenha enfraquecido muito os raios, não os destruiu completamente. "Se você segurar sua mão entre o tubo de descarga e a tela, poderá ver as sombras escuras dos ossos nos contornos tênues da sombra da própria mão." Os raios agem em uma chapa fotográfica, e "você pode tirar fotos em uma sala iluminada, usando uma chapa dentro de um cassete ou em um invólucro de papel". Roentgen, no entanto, não conseguiu detectar nem a reflexão nem a refração dos raios X. No entanto, ele estabeleceu que, se a reflexão correta "não ocorrer, no entanto, várias substâncias se comportam em relação aos raios X da mesma forma que os meios turvos em relação à luz". Assim, Roentgen estabeleceu o importante fato do espalhamento de raios X pela matéria. No entanto, todas as suas tentativas de detectar a interferência dos raios X deram um resultado negativo. Um resultado negativo também foi dado por tentativas de desviar os raios por um campo magnético. A partir disso, Roentgen concluiu que os raios X não são idênticos aos raios catódicos, mas são excitados por eles nas paredes de vidro do tubo de descarga. Na conclusão de seu relatório, Roentgen discute a questão da possível natureza dos raios que descobriu: “Se perguntarmos o que os raios X realmente são (eles não podem ser raios catódicos), então, a julgar por sua intensa ação química e fluorescência, podemos atribuí-los à luz ultravioleta. Mas neste caso imediatamente enfrentamos sérios obstáculos. Os raios X são luz ultravioleta, então essa luz deve ter as propriedades: a) ao passar do ar para a água, dissulfeto de carbono, alumínio, sal-gema, vidro, zinco, etc., não experimentar nenhuma refração perceptível; b) não experimentar nenhum reflexo correto perceptível desses corpos; c) não ser polarizado por todos os meios comuns; d) sua absorção não depende de nenhuma propriedade do corpo, exceto da densidade. Seria, portanto, necessário supor que esses raios ultravioleta se comportam de maneira bastante diferente dos raios infravermelhos, visíveis e ultravioletas até então conhecidos. Eu não conseguia decidir sobre isso e comecei a procurar outra explicação. Alguma relação entre novos raios e raios de luz parece existir. Isso é indicado por imagens de sombra, fluorescência e os efeitos químicos produzidos por ambos os tipos de raios. Há muito se sabe que, além das vibrações luminosas transversais, também são possíveis vibrações longitudinais no éter. Alguns físicos acreditam que eles devem existir. Sua existência, é claro, ainda não foi claramente comprovada e, portanto, suas propriedades ainda não foram estudadas experimentalmente. Os novos raios não deveriam ser atribuídos a vibrações longitudinais no éter? Devo confessar que estou cada vez mais inclinado a esta opinião, e tomo a liberdade de expressar esta suposição aqui, embora saiba, é claro, que ela precisa de mais fundamentação. Em março de 1896 Roentgen fez uma segunda comunicação. Nesta comunicação ele descreve experimentos sobre a ação ionizante dos raios e sobre o estudo da excitação dos raios X por vários corpos. Como resultado desses estudos, afirmou que "não havia um único corpo sólido que, sob a ação dos raios catódicos, não excitasse os raios X". Isso levou Roentgen a redesenhar o tubo para produzir raios-X intensos. "Eu tenho usado com sucesso o tubo de descarga do seguinte dispositivo por várias semanas. Seu cátodo é um espelho côncavo de alumínio, no centro da curvatura do qual, em um ângulo de 45 graus em relação ao eixo do espelho, uma placa de platina é colocado, que serve como ânodo." "Neste tubo, os raios X saem do ânodo. Com base em experimentos com tubos de vários desenhos, cheguei à conclusão de que não importa para a intensidade dos raios X se o local de excitação dos raios é o ânodo ou não." Assim, Roentgen estabeleceu as características básicas do projeto de tubos de raios X com um cátodo de alumínio e um anticátodo de platina. A descoberta de Roentgen causou uma enorme ressonância não só no mundo científico, mas em toda a sociedade. Apesar do título modesto dado ao seu artigo por Roentgen: "Sobre um novo tipo de raios. Comunicação preliminar", despertou grande interesse em vários países. O professor vienense Eksper relatou a descoberta de novos raios invisíveis ao jornal New Free Press.Em São Petersburgo, já em 22 de janeiro de 1896, os experimentos de Roentgen foram repetidos durante uma palestra no auditório de física da universidade. Os raios Roentgen rapidamente encontraram aplicações práticas na medicina e na tecnologia, mas o problema de sua natureza continuou sendo um dos mais importantes da física. Os raios X reacenderam a controvérsia entre a natureza corpuscular e ondulatória da luz, e muitos experimentos foram realizados para resolver o problema. Em 1905, Charles Barkla, Prêmio Nobel de 1917 pelo estudo dos raios X (1877-1944), mediu esses raios dispersos, aproveitando a capacidade dos raios X de descarregar corpos eletrificados. A intensidade dos raios podia ser determinada medindo a velocidade com que, sob sua ação, um eletroscópio era descarregado, digamos, com folhas douradas. Barkla em um brilhante experimento investigou as propriedades da radiação espalhada, causando seu espalhamento secundário. Ele descobriu que a radiação espalhada a 90 graus não poderia ser espalhada novamente a 90 graus. Esta foi uma evidência convincente de que os raios X eram ondas transversais. Os defensores do ponto de vista corpuscular também não ficaram ociosos. William Henry Bragg (1862-1942) considerou seus dados como prova de que os raios Roentgen eram partículas. Ele repetiu as observações de Roentgen e se convenceu da capacidade dos raios X de descarregar corpos carregados. Verificou-se que este efeito é devido à formação de íons no ar. Bragg descobriu que muita energia é transferida para moléculas individuais de gás para que seja transferida apenas por uma pequena parte de uma frente de onda contínua. Este período de aparentes contradições - pois os resultados de Barkle e Bragg não podiam ser conciliados - foi repentinamente encerrado em 1912 por um único experimento. Esse experimento foi realizado por uma feliz combinação de ideias e pessoas e pode ser considerado uma das maiores conquistas da física. O primeiro passo foi dado quando o estudante de pós-graduação Ewald recorreu ao físico teórico Max Laue (1879-1960). A ideia de Ewald, que interessou Laue, foi a seguinte. Para verificar se os raios X são ondas, um experimento de difração deve ser realizado. No entanto, qualquer sistema de difração artificial é obviamente muito grosseiro. Mas o cristal é uma rede de difração natural, muito mais fina do que qualquer feita artificialmente. Os raios X podem ser difratados por cristais? Laue não era um experimentador e precisava de ajuda. Ele pediu conselhos a Sommerfeld (1868-1951), mas este não o apoiou, dizendo que o movimento térmico deve perturbar muito a estrutura correta do cristal. Sommerfeld recusou-se a permitir que um de seus assistentes, Friedrich, perdesse tempo com tais experimentos. Felizmente, Friedrich tinha uma visão diferente e, com a ajuda de seu amigo Knipping (1883–1935), realizou esse experimento em segredo. Eles escolheram um cristal de sulfato de cobre - esses cristais estavam disponíveis na maioria dos laboratórios - e montaram a configuração. A primeira exposição não deu resultado; a placa foi colocada entre o tubo - a fonte dos raios X - e o cristal, pois acreditava-se que o cristal deveria atuar como uma rede de difração reflexiva. No segundo experimento, Knipping insistiu em colocar chapas fotográficas em todos os lados do cristal: afinal, era preciso levar em conta todas as possibilidades. Em uma das placas, localizada atrás do cristal no caminho do feixe de raios X, foi encontrado o efeito que procuravam. Foi assim que a difração de raios X foi descoberta. Em 1914, Laue recebeu o Prêmio Nobel por esta descoberta. Em 1913, G. V. Wulff na Rússia, pai e filho Bragg na Inglaterra, repetiu os experimentos de Laue e seus amigos com uma mudança significativa: eles direcionaram raios X para cristais em diferentes ângulos de sua superfície. A comparação de imagens de raios-X obtidas neste caso em chapas fotográficas permitiu aos pesquisadores determinar com precisão as distâncias entre os átomos nos cristais. Os Braggs foram agraciados com o Prêmio Nobel em 1915. Assim, dois fatos científicos fundamentais chegaram à física: os raios X têm as mesmas propriedades ondulatórias que os raios de luz; Com a ajuda dos raios X, você pode explorar não apenas a estrutura interna do corpo humano, mas também as profundezas dos cristais. Usando raios-x, os cientistas agora podem distinguir facilmente cristais de corpos amorfos, detectar mudanças nas cadeias atômicas nas profundezas de metais e semicondutores que são opacos à luz, determinar quais mudanças na estrutura dos cristais ocorrem durante forte aquecimento e resfriamento profundo, durante compressão e tensão. Roentgen não obteve uma patente, dando sua descoberta a toda a humanidade. Isso possibilitou que designers de todo o mundo inventassem uma variedade de máquinas de raios-X. Os médicos queriam aprender o máximo possível sobre as doenças de seus pacientes com a ajuda de raios-X. Logo eles foram capazes de julgar não apenas sobre fraturas ósseas, mas também sobre as características estruturais do estômago, sobre a localização de úlceras e tumores. Normalmente o estômago é transparente aos raios X, e o cientista alemão Reeder sugeriu alimentar os doentes antes de fotografar... mingau de sulfato de bário. O sulfato de bário é inofensivo ao corpo e muito menos transparente aos raios X do que os músculos ou tecidos internos. As imagens mostravam qualquer estreitamento ou expansão dos órgãos digestivos humanos. Nos tubos de raios X mais recentes, uma espiral quente de tungstênio irradia uma corrente de elétrons, contra a qual se localiza um anti-cátodo de finas placas de ferro ou tungstênio. Os elétrons eliminam um forte fluxo de raios X do anticátodo. Fontes poderosas de raios-X foram encontradas fora da Terra. Nas profundezas de novas e supernovas, existem processos durante os quais são produzidos raios-X de alta intensidade. Medindo os fluxos de raios X que chegam à Terra, os astrônomos podem julgar os fenômenos que ocorrem a muitos bilhões de quilômetros de nosso planeta. Um novo campo da ciência surgiu - astronomia de raios-X ... A tecnologia do século XNUMX não poderia, sem a análise de raios X, ter à sua disposição aquela magnífica constelação de vários materiais que tem hoje à sua disposição. Autor: Samin D. K.
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