Promienie X naświetlają kryształ. Falowy charakter promieniowania

Ósmego listopada 1895 roku Wilhelm Conrad Röntgen przystąpił do eksperymentów z wykorzystaniem promieni katodowych (strumieni elektronów) generowanych w próżniowej szklanej rurce. 28 grudnia na łamach Würzburgskiego Towarzystwa Fizyczno-Medycznego opublikował wyniki swoich badań - zawiadamiał o odkryciu dziwnych promieni, które przechodząc przez końcówkę szklanej lampy, wywoływały świecenie materiałów fluorescencyjnych i naświetlanie klisz fotograficznych. Röntgen nie był jednak pierwszym, który zetknął się z własnościami tajemniczego promieniowania X.

Pierwsze eksperymenty

Już w latach siedemdziesiątych XIX wieku William Crookes badając efekty wyładowań elektrycznych w szklanych bańkach wypełnionych gazem zauważył powstające na fotograficznym materiale światłoczułym cienie przedmiotów umieszczonym w pobliżu lamp. Odnotował zaistniałe zmiany, jednak samo zjawisko nie wzbudziło w jego przypadku większego zainteresowania. Prace nad przenikaniem promieni katodowych prowadzili również Heinrich Hertz i jego uczeń Philipp Lenard. Także Nikola Tesla eksperymentował z lampami jednoelektrodowymi dużej mocy, dostrzegając negatywny wpływ emitowanego promieniowania katodowego na organizmy żywe. Zauważył, iż promienie, przechodząc przez mięśnie, ale nie przez kości, mogą służyć do obrazowania medycznego. Kiedy Röntgen opublikował wyniki swoich prac Tesla wysłał mu wykonane przez siebie fotografie. 

Zrozumienie istoty promieniowania X (nazywanego także rentgenowskim) zajęło badaczom trochę czasu. Do 1912 roku zebrano jednak wystarczająco dużo dowodów na ugruntowanie koncepcji ich falowej istoty. Stwierdzono, że rozpędzone elektrony uderzając w ściankę szklanej banki generują krótkie fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości, przenoszące dalej pęd i energię elektronów promieniowania katodowego. Nie wszyscy fizycy akceptowali jednak ten model optując za cząsteczkową naturą promieniowania. Falowy charakter promieniowania X obronił eksperyment zaproponowany przez Maxa von Laue. 

Naświetlanie kryształu

W klasycznym krysztale odległości pomiędzy atomami są niewiele większe od szacowanej wówczas długości fali rentgenowskiej. Gdyby ich atomy rozmieszczone były regularnie (co wówczas nie było jeszcze takie pewne) wówczas, zgodnie z teorią, przechodząca przez kryształ fala, uginając się na trójwymiarowym układzie przeszkód (w postaci atomów), powinna wytworzyć doskonale znany wzór interferencyjny. Podobnie jak światło widzialne podczas przejścia przez siatkę dyfrakcyjną (serię równoległych szczelin). Choć fizycznie obie sytuacje wyglądają inaczej, siatka dyfrakcyjna i siatka krystaliczna zostały ze sobą skojarzone, prowokując przebłysk intuicji von Laue. W przypadku siatki dyfrakcyjnej światło jest pochłaniane lub odbijane przez materiał wokół szczeliny. W przypadku kryształu promieniowanie wprawia w drgania naładowane cząstki, które wypromieniowują kolejne fale. Oddziaływanie jest przekazywane, by wreszcie ostatnie z atomów kryształu wystąpiły w charakterze źródeł radiowej emisji. Eksperymenty przeprowadzone przez Paula Friedricha i Waltera Knippinga potwierdziły dyfrakcyjne zachowanie promieniowania rentgenowskiego - maksymalne natężenia powstają tak jakby promienie X były odbijane od płaszczyzn sieciowych tworzonych przez regularne atomy kryształu. Uzyskujemy charakterystyczny obraz zaciemnionego środka (pozostałość po pierwotnym promieniowaniu) i otaczających go punktów (interferencje wzmacniające ugięte promienie).

Charakter promieni X

Dziś wiadomo, że promienie X są rodzajem promieniowania elektromagnetycznego o charakterystyce ciągłej w zakresie częstotliwości mieszczącym się w widmie fal pomiędzy ultrafioletem i gamma. Dualizm falowo - korpuskularny dotyczy jednak także tego rodzaju promieniowania. Promieniowanie rentgenowskie można zatem rozumieć również jako strumień cząstek (fotonów) i opisywać z wykorzystaniem jednostki energii eV (zamiast długości fali). Jest to istotne w kontekście właściwego zrozumienia powstania tego rodzaju promieniowania. 

Powstanie promieni X można wytłumaczyć na drodze wyhamowania rozpędzonych elektronów na materiale (anoda), którego elektrony po zderzeniu z poruszającymi się cząstkami są wybijane. Luki powstałe w niskich powłokach wypełniane są przez elektrony pochodzące z wyższych powłok. Podczas takiej transmisji uwalniana jest energia w postaci wypromieniowanych fotonów. Foton o najmniejszej długości fali jest emitowany gdy elektron odda całą swoją energię podczas jednego zderzenia. Minimalna długość fali występująca w tak powstałym widmie ciągłym, czyli jego krótkofalowa granica, odpowiada przemianie całej energii elektronów na promieniowanie rentgenowskie.

Chociaż istnienie krótkofalowej granicy widma ciągłego promieniowania rentgenowskiego nie może być wytłumaczone przez klasyczną teorię elektromagnetyzmu (nie ma powodów aby z materiału anody nie mogły być emitowane fale o dowolnej długości), traktowanie promieni X w kategoriach falowych jest jak najbardziej zasadne. Eksperyment von Laue dał podstawy dla dualistycznego rozumienia również tego rodzaju promieniowania. Jego projekty i opisy eksperymentów zostały przez świat nauki docenione i uhonorowane w roku 1915 Nagrodą Nobla.

Eksperyment von Laue - wykorzystanie praktyczne

Eksperyment von Laue znajdzie w przyszłości swoje praktyczne zastosowanie, służąc do badania struktury kryształów różnych substancji (spektroskopia rentgenowska). Postać obrazu dyfrakcyjnego jest bowiem zależna od rodzaju sieci krystalicznej – wzajemnego położenia regularnych płaszczyzn w strukturze atomowej - oraz kierunku padania promieni X w stosunku do płaszczyzn krystalograficznych. Technika ta należy do absorpcyjnych metod spektroskopii atomowej i pozwala na analizę efektów oddziaływania promieniowania rentgenowskiego z materią w ramach ilościowej i jakościowej analizy badanych substancji.