Od roku 1850 se mnoho experimentátorů začalo zabývat výboji ve zředěných plynech. Měli k tomu již dostatečnou techniku, jakou byla technologie vytváření skleněných trubic se zatavenými elektrodami. Byla k dispozici i vakuová technika a zdroje vysokého napětí více než 5 kV. Jeden z prvních, kdo začal experimentovat s katodovým zářením, byl William Crooks, dalšími např. Heindrich Geissler, Johann Wilhelm Hittorf, Heinrich Hertz, Philip Lenard apod. Všichni z vedených vědců pracovali současně mnohdy nevědomky i s rentgenovým zářením. Röntgen byl však přesvědčivější, jednak přímou demonstrací na shromáždění vědců, jednak třemi vydanými články o objevu záření. Ale začněme od začátku.
Wilhelm Conrad Röntgen.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
8. listopadu 1895 Wilhelm Röntgen při studiu výbojů v plynech objevil neznámé paprsky X. Veřejnosti svůj objev oznámil na Nový rok 1896 prostřednictvím fyzikálně lékařského časopisu v článku O novém druhu paprsků. Zjistil, že při dopadu katodového záření na kovovou anodu vzniká záření, které proniká neprůhlednými předměty. Za objev paprsků X obdržel Röntgen v roce 1901 úplně první Nobelovu cenu za fyziku. Röntgen objevil řadu významných vlastností záření – absorpci, ionizaci, působení na fotografickou emulzi a luminiscenci. Na dalším výzkumu a vysvětlení podstaty rentgenového záření se podíleli Joseph John Thomson (jsou to elektromagnetické vlny), Max von Laue (rentgenová difrakce) a Arthur Compton (comptonův jev) a další.
Röntgenova laboratoř na Würzburgské univerzitě.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Public domain.
Jako rentgenové záření se označuje záření o frekvenci od 15 · 1015 Hz do 3 · 1022 Hz nebo vlnové délce 20 nm – 10–5 nm. Vzniká při dopadu elektronů na látku s více jak 21 protony. Rentgenové záření je možné vybudit v upravené elektronce, tzv. rentgence nebo v atomech při vysokých teplotách. Je také součástí kosmického záření. Současné rentgenky odpovídají Coolidgeově konstrukci a mají podobu vyčerpané trubice se žhavenou katodou a anodou tvořenou různými kovy podle způsobu použití. Žhavá katoda rentgenky vysílá termoemisí svazek elektronů, které jsou značně urychleny elektrickým polem – při napětí 10 kV až 400 kV mezi katodou a anodou. Po dopadu na wolframovou anodu jsou zbrzděny, velká část jejich kinetické energie se mění na vnitřní energii anody a pouze malá část (asi 1 %) na energii rentgenového záření. Rentgenky musí být dobře chlazeny, materiál anody musí mít vysokou teplotu tání. Frekvence vysílaného záření se ovlivňuje napětím mezi anodou a katodou. S rostoucím napětím se zvyšuje jeho frekvence a tím i jeho pronikavost.
Historická rengenová trubice.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Rentgenové záření má silné ionizační účinky a působí na fotografickou emulzi. Proniká částečně všemi látkami, je v nich však současně pohlcováno. Čím větší je protonové číslo atomu, tím více se rentgenové záření pohlcuje. Různé pronikavosti tohoto záření látkami se využívá v rentgenové defektoskopii v průmyslu nebo u rentgenové diagnostiky v lékařství. Kosti se skládají především z vápníku (protonové číslo 40) a svaly z vodíku (protonové číslo 1), uhlíku (2), kyslíku (16) apod. Proto kosti záření více pohltí. To se na fotografickém negativu projeví světlejším obrazem. Oblasti s prvky o menším protonovém čísle (např. svaly) pohlcují méně záření a jejich obraz je proto na negativu tmavší. Pohlcování rentgenového záření závisí i na frekvenci záření. Záření s vysokou frekvencí se nazývá tvrdé a s nižší frekvencí měkké. Tvrdé záření prochází i značně silnými vrstvami látek a méně se pohlcuje, používá se v defektoskopii a v diagnostice. Tzv. Langova topografie umožňuje rozlišit poruchy navzájem vzdálené 3 – 5 nm. Měkké záření je pohlcováno více, používá se v rentgenové terapii. V nedávné době byly zkonstruovány přístroje, které poskytují prostorový rentgenový obraz. Zařízení se nazývá rentgenová počítačová tomografie, zkráceně CT. Počítačová tomografie vytváří soubory rentgenových snímků částí těla po jednotlivých vrstvách kolmých k ose pacientova těla a širokých několik milimetrů. Získané hodnoty jsou zpracovány počítačem do výsledného obrazu. Rentgenové záření může při dlouhodobém nebo intenzívním působení vyvolat v lidském organismu nežádoucí změny. Proto se k ochraně používají látky obsahující nejčastěji olovo.
Rentgen plic.
Zdroj: commons.wikimedia.org. Under Creative Commons.
Rychle letící elektrony jsou po dopadu na terč zbrzděny. Energie, kterou elektrony takto ztratí, se přemění na rentgenové záření vy září se v podobě tzv. brzdného rentgenového záření. Toto záření má spojité spektrum, které obsahuje všechny vlnové délky od určité hraniční hodnoty, která se také někdy nazývá krátkovlnná hrana. Čím větší je rychlost letících elektronů, tím tvrdší záření vzniká. Energie elektronů závisí pouze na urychlovacím napětí. Tento druh rentgenového záření se používá v defektoskopii i lékařské diagnostice.
Jestliže rychle letící elektron odevzdá svou kinetickou energii elektronu vnitřní slupky atomového obalu materiálu antikatody, pak se vyzáří tzv. charakteristické rentgenové záření, které má čárové spektrum. Čárové rentgenové spektrum se pak nazývá charakteristické, protože je nezaměnitelnou charakteristikou antikatody. Na základě charakteristického rentgenového spektra v roce 1913 Henry Moseley objevil závislost vlnové délky rentgenového záření na poloze čar v charakteristickém spektru a tím dokázal charakterizovat nepatrné množství prvku v látce. Moseleyho výsledky přesně potvrdily zařazení prvků v Mendělejevově tabulce prvků. Charakteristické rentgenové záření se proto využívá v analytické chemii.
Rentgenové paprsky se nepoužívají jen v lékařství. Brzy po objevu našly uplatnění v rentgenové difrakci (zviditelnění atomární struktury např. krystalů), rentgenové astronomii, v rentgenových laserech, rengenové fluorescenční analýze apod.
