Открытие лучевой диагностики Реферат к кандидатскому экзамену по дисциплине: «История и философия науки» 1 Оглавление: Введение …………………………………………………………………………..3 Основная часть. Глава 1. Физика в эпоху, непосредственно предшествовавшую рентгеновским лучам………………………………..…..4 Глава 2. В.К. Рентген - Его личная жизнь …………………………………….8 Глава 3. В.К. Рентген – Его эпохальное открытие ………………………..10 Заключение. Глава 4. Развитие, вызванное открытием Рентгена...………..13 Список литературы………………………………………………………………16 2 Введение: 85 лет назад, в феврале 1923 года умер Вильгельм Рентген, выдающийся немецкий физик, первооткрыватель рентгеновских лучей. Работая в лаборатории с трубкой Крукса, 8 ноября 1895 г. профессор Рентген обнаружил невидимые лучи, способные проходить через бумагу и дерево. Он назвал эти загадочные лучи Х-лучами. Рентген также обнаружил способность этих лучей воздействовать на фотографическую пленку. И что было самым невероятным, неизвестные лучи проникали через мягкие ткани и позволяли делать снимки костных структур под кожным покровом. Открытие Рентгеном нового типа излучения — эпохальное событие в ряду достижений физики, возникших всего за несколько десятилетий конца XIX века. Поскольку эти открытия прямо или косвенно связаны с изучением явления электрического разряда в газах, в первом разделе представлен краткий обзор физического сценария в эпоху, непосредственно предшествовавшую рентгеновским лучам. Не просто удача смелых, а характер Рентгена как прилежного, самокритичного и изобретательного ученого сделал его открытие возможным. Это будет показано в разделах, посвященных личной жизни Рентгена и некоторых конкретных деталях его экспериментов, приведших к открытию рентгеновских лучей. Наконец, дается краткий обзор потенциала и большого разнообразия применений рентгеновских лучей. 3 Глава 1. Физика в эпоху, непосредственно предшествовавшую рентгеновским лучам. В 19 веке доминировало много блестящих умов, особенно в области физики, и, безусловно, гораздо больше, чем в любой другой исторический период естественных наук. Этот период был полон захватывающих открытий, изобретений, измерений и новых теорий, а также технических и медицинских прорывов, в основном благодаря инновациям в области электричества и термодинамики, которые произвели революцию в нашем мире вплоть до сегодняшнего дня [1]. Мы помним известные имена той выдающейся эпохи, такие как Майкл Фарадей [1791–1867] (электролиз, электромагнетизм, диамагнетизм), Джеймс Клерк Максвелл [1831–1879] (классическая теория электромагнитных полей), Уильям Томсон (лорд Кельвин) [ 1824–1907] (электричество, термодинамика), Джозия Уиллард Гиоббс [1893–1903] (термодинамика) и Джеймс Прескотт Джоуль [1818–1889] (законы Джоуля). Интересно отметить, что четыре эпохальных открытия в физике были сделаны всего за четыре золотых года: рентгеновские лучи Вильгельма Конрада Рентгена (1895 г.), радиоактивность Антуана Анри Беккереля (1896 г.), свободный электрон Джозефом Джоном Томсоном (1897 г.). ) и обнаружение элементов полония и радия Марией и Пьером Кюри (1898). Все четыре открытия прямо или косвенно следовали из экспериментов с электрическим разрядом в газах. Следуя раннему греческому предположению, что атомы являются строительными частицами материи, потребовалось около 2000 лет, чтобы привлечь внимание к тому, как выглядит сам атом. Были разработаны квалифицированные эксперименты и разработаны новые теории для понимания результатов. В частности, изучение таких явлений, как электролиз жидкостей и электрический разряд в газах, привело к более глубокому пониманию атомной структуры. Именно Фарадей, «один из величайших научных первооткрывателей всех времен», как утверждал Резерфорд [2], как химик, а точнее физикохимик, 4 интересовался процессом химических реакций при подаче постоянного электрического тока на растворенную соль. Оценивая эти опыты, он нашел количественную зависимость между количеством материала, образующегося в этом процессе, и зарядом, прошедшим через электролит. Эти результаты, известные как законы Фарадея, стимулировали поиск элементарной частицы электричества. Ключом к этому открытому вопросу следует признать исследование электрического газового разряда, выполненное рядом изобретательных экспериментаторов и физиков-теоретиков, начиная с 18 века, но достигнув кульминации в 19 веке. Систематическое исследование этих, ранее просто популярных эффектов многоцветного свечения, было вновь инициировано Фарадеем в 1836 году. Ожидая более глубокого понимания физики атомов, он исследовал явление газового разряда, когда электричество проходит через вакуумированный стеклянный шар в различных условиях. Например в таких, как высокое напряжение, давление воздуха, тип газа, температура и конструкция стеклянных трубок. Несколько лет спустя Юлиус Плюкер, немецкий математик и физик из Боннского университета, работал с новым типом стеклянных трубок, изобретенным стеклодувом и физиком Генрихом Гейсслером [3]. Плюкер опубликовал свои первые результаты Plücker's уже в 1857 г. в немецкой газете [4]. До этого времени для откачки разрядных трубок использовалась средневековая техника вакуумного насоса Отто Герике. Однако гораздо лучший вакуум был достигнут, когда Гайслер изобрел свой новый поршневой ртутный насос. Используя эту трубку Гейсслера, Плюкер начал исследовать флуоресцентное свечение на стенке трубки вблизи катода, в частности, он наблюдал смещение этого многоцветного света при приложении магнитного поля. Именно это последнее наблюдение можно считать первым намеком на то, что в процессе электрического разряда катод излучает, помимо местного яркого света, поток электрического излучения, который распространяется по прямым линиям к аноду. Точно так же Иоганн Вильгельм Хитторф, ученик Плюкера, обнаружил в опытах с трубками Гейсслера, что на флуоресцирующей части 5 стеклянной стенки появлялось теневое изображение твердых предметов, помещенных внутрь трубки. Также Хитторф обнаружил смещение этого теневого изображения, вызванное магнитным полем. Из этих исследований Плюкер и Хитторф пришли к выводу, что катод испускает поток отрицательно заряженных частиц, который в 1888 году был подтвержден Филиппом Ленардом [5] как катодные лучи («Kathodenstrahlen», придуманный немецким физиком Ойгеном Гольдштейном). В своих исследованиях катодных лучей Ленард вплотную подошел к обнаружению рентгеновских лучей, изучая свойства катодных лучей. Для определения дальности в воздухе он сконструировал газовую трубку с тонкой металлической фольгой, заменившей стекло на конце трубки («окно Ленарда»). С помощью стопки картонных досок, обклеенных флуоресцентным материалом, он обнаружил, что интенсивность индуцированного света пропорциональна плотности материала, а диапазон катодных лучей в воздухе составляет несколько сантиметров. Если бы Ленард только расширил свои измерения дальности за пределы этих нескольких сантиметров, то в ретроспективе можно было бы предположить, что он первым открыл рентгеновские лучи. Тем не менее обнаружение катодных лучей следует считать фундаментальным шагом на пути к эпохальным открытиям конца 1890х гг. Примерно в то же время, к 1870-м годам, английский физик Уильям Крук исследовал свойства модифицированной сверхвысоковакуумным катодных трубки насосом лучей, используя Гейсслера, несколько откачиваемой (модифицированный ртутный типов новым насос Шпренгеля). В 1879 г. он заметил, что даже в условиях сверхвысокого вакуума, когда эффекты свечения электрического разряда начинают медленно исчезать, катодные лучи способны попадать на анод и задний конец трубки. Там они вызывают нагрев материала и характерное свечение – «катодолюминесценцию» – на стекле. Этот последний эффект может быть усилен при окраске конца трубки некоторыми люминофорами, такими как Zn, S. Интересно отметить две теории о природе катодных лучей: Крукс утверждал некую «лучистую 6 материю», состоящую из отрицательно заряженных атомов («атомы электричества», как назвал их Герман фон Гельмгольц, 1881 г.), в то время как Герц и Гольдштейн рассуждали о новая форма электромагнитных волн, так называемые «эфирные колебания». В 1897 г. Дж. Дж. Томсон [6] продемонстрировал с помощью электромагнитных измерений, что на самом деле катодные лучи состоят из «частиц», для которых в качестве «фундаментальной единицы количества электричества» ирландский физик Джордж Дж. Стони ввел название «электрон». Идентификация свободного электрона как первой из когда-либо обнаруженных субатомных частиц стала важной вехой на пути к современной физике, положившей начало более глубокому пониманию внутренней структуры атома. 7 Глава 2. В.К. Рентген - Его личная жизнь 27 марта 1845 года Рентген родился в Леннепе недалеко от Ремшайда в Германии в семье богатого фабриканта тканей и его жены Шарлотты Констанце, чьи семейные корни были в Нидерландах и Италии [3]. В 1848 году из-за роста социальной и политической напряженности семья эмигрировала в Нидерланды. Продемонстрировав в юности некоторые способности к мастерству, Рентген закончил начальную и среднюю школу, не проявляя особой тяги своей дальнейшей карьере. В 1862 году он поступил в Техническую школу в Утрехте, однако через год был отчислен по необоснованной причине в ответ на насмешки над учителем со стороны другого ученика. К сожалению, из-за неблагоприятных обстоятельств ему даже со второй попытки не удалось претендовать на поступление в высшее учебное заведение. Однако Рентген зарегистрировался в качестве приглашенного студента в Утрехтском университете, посещая широкий спектр лекций по физике, математике, ботанике, зоологии и старым языкам, очевидно, намереваясь снова получить право на университетское обучение. Случайно он узнал от друга, что новый «Eidgenössisches Polytechnikum» (Швейцарская политехническая школа) принимает студентов без высшего образования. Интересно отметить, что другой известный лауреат Нобелевской премии Альберт Эйнштейн по той же причине отсутствия такого сертификата был принят в этот университет в Цюрихе. Рентген очень любил свое студенческое время, всегда набирал высшие баллы, получил диплом инженера в 1868 году, и помимо своей преданности учебе, он с энтузиазмом гулял с друзьями в близлежащем районе Альп. Также в Цюрихе Рентген познакомился с Анной Бертой, своей будущей женой. Всего через год после получения диплома Рентген защитил в Цюрихском университете диссертацию на тему «Исследования газов» и получил степень доктора философии. Спровоцированный своим учителем, широко известным физикомэкспериментатором Августом Кундтом (трубка Кундта для измерения скорости звука в газах) с вопросом «Чем ты хочешь заниматься в жизни, почему бы не попытаться заняться физикой?», Рентген, конечно же принял этот вызов и стал 8 помощником Кундта. Всего через год Рентген последовал за Кундтом, которого пригласили из Вюрцбургского университета на пост председателя Института физики. Однако это снова было бюрократическим препятствием в виде отсутствия права на поступление в университет из его прежнего школьного времени в Утрехте, которое, несмотря на все вмешательства Кундта как главы отдела, заблокировало его доступ к процедуре абилитации. Не исключено также, что из-за этого конфликта Кундт в сопровождении своего уважаемого помощника последовал призыву вновь созданного Страсбургского университета. Через два года Рентген защитил докторскую диссертацию и получил квалификацию преподавателя физики в университете. Его личная жизнь завершилась женитьбой на Анне Берте в Апелдорне в 1872 году, где все еще жили его родители. После краткосрочных должностей в Гогенхайме, снова с Кундтом в Страсбурге и в Гиссене, Рентген принял почетное звание преемника Фридриха Кольрауша в Вюрцбургском университете, где он сделал свое эпохальное открытие. Наконец, в 1900 году он поступил в Мюнхенский университет в качестве главы Института физики. После смерти жены он все больше и больше отстранялся от академической жизни и пытался найти себе развлечение и уединение, например, в пеших прогулках по горам. Страдая от рака толстой кишки в последние месяцы своей жизни, Рентген умер 10 февраля 1923 года в Мюнхене. Несмотря на впечатляющие достижения и известность, Рентген характеризовался как тихий и замкнутый человек, у которого не так много глубоких дружеских отношений. Он был трудолюбивым дотошным ученым, всегда самокритичным, прилежным и никогда не публиковавшим научные результаты, прежде чем был твердо уверен в их содержании. В частности, Рентген всегда был скромным, никогда не пытался казаться блестящим, а сосредоточивался строго на фактах, так что некоторые студенты находили его лекции несколько суховатыми. Доминирующим в его характере было его чувство справедливости даже в случае собственного невыгодного положения, известное по его четкой позиции в раннем школьном конфликте вплоть до военного времени, когда питание приходилось нормировать, и он отказывался от каких-либо личных привилегий. 9 Глава 3. В.К. Рентген – Его эпохальное открытие Вдохновленный наблюдениями Плюккера, Хитторфа и, в частности, Ленарда за катодными лучами, Рентген провел дальнейшие эксперименты по изучению свойств этого потока свободных электронов, создаваемого в газоразрядной трубке [5, 7]. В одном из этих экспериментов повторялись измерения дальности катодных лучей, вне трубки. Применив более чувствительный метод и записав электрический разряд с помощью электрометра, Рентген обнаружил эффект, простирающийся гораздо дальше, чем на несколько сантиметров, которые Ленард наблюдал с помощью своего флуоресцентного экрана. В другом эксперименте он закрыл всю стеклянную трубку картоном, чтобы исключить световые эффекты, исходящие изнутри трубки, и в полностью затемненной лаборатории случайно заметил рядом с экспериментальной установкой экран, покрытый осажденным платиноцианидом бария, который флуоресцировал. После исключения артефактов, таких как внешний свет или эффекты катодных лучей, он задался вопросом, почему этот зеленый свет излучается кристаллами этого экрана. Именно в ту роковую пятницу 8 ноября 1895 года Рентген провел систематическое исследование этого явления, варьируя расстояние, направление и поглощение невидимого излучения различными материалами. Увлеченный этими опытами, Рентген работал днем и ночью, он даже приказал перенести свою кровать в свою лабораторию. Он наблюдал флуоресцентный эффект на больших расстояниях, колеблющийся в зависимости от тока электрической трубки, обнаружил высокую проникающую способность излучения при экспонировании различных материалов, заметил защитную способность тяжелых металлов, таких как свинец, и почернение пленок, как первый шаг к рентгенографии. Ключевым экспериментом, коренным образом изменившим медицину и считающимся днем рождения рентгенологии, стал тот момент, когда, удерживая пальцами в луче небольшой предмет, Рентген узнал изображение своих пальцев на картонном экране, фактически это был первый рентгеновский снимок. Однако, все еще колеблясь в том, что он наблюдал, он дополнил свои исследования рядом дальнейших экспериментов, включая 10 хорошо известное изображение руки своей жены, прежде чем написать свое скромно озаглавленное предварительное сообщение о новом типе излучения («Über eine neue Art von Strahlung. (Vorläufige Mitteilung)»), которую он представил в Физико-медицинское общество («Physikalisch-Medizinische Gesellschaft») в Вюрцбурге 28 декабря 1895 год. Эхо этого нового типа излучения, которое сам Рентген называл рентгеновскими лучами, было экстраординарным, вызвав лавину реакций в научном мире, начиная с друга и коллеги Рентгена, профессора Экснера из Венского университета. Ему удалось передать сообщение в местную венскую газету Die Presse от 5 января 1896 года, откуда на следующий день информация об открытии была передана по телеграфу в Daily Chronicle в Лондоне, а через несколько дней распространилась через ведущие научные журналы, такие как Nature, Science, и L'Eclairage Electrique, а также средства массовой информации в США и во всем мире. Никогда прежде открытие не распространялось так быстро по всему миру. Сообщалось о многочисленных применениях и дальнейших технических усовершенствованиях самой рентгеновской трубки, например, о первом случае операции под визуальным контролем в Бирмингеме, Англия, когда хирурги локализовали инородный предмет в руке пациента. В феврале 1896 года были начаты первые исследования, чтобы продемонстрировать потенциал рентгеновской визуализации даже некостных структур, таких как сосудистая анатомия, путем введения контрастного вещества и желудочно-кишечного тракта путем проглатывания бариевой муки. Уже в первые месяцы после открытия рентгеновских флюороскопы — обследования больного, лучей широко были разработаны применяемый который состоял аппарат из так для ящика, называемые медицинского экранирующего окружающий свет, и картона, покрытого цианитом бария, в качестве экрана. Уже в 1896 году значительный технический прогресс был достигнут благодаря промышленным разработкам, инициированным Томасом Алвой Эдисоном, который улучшил как технику для лучшей фокусировки рентгеновского луча, так и оптимизацию флуоресцентного экрана, выбрав вольфрамат кальция, поскольку он был в шесть раз более чувствительным веществом, чем 11 платинбарийцианат. Таким образом, в 1896 г. было опубликовано 1044 научных статьи о рентгеновских лучах, из них около 400 касались медицинских аспектов и менее 200 — физических. Признание открытия Рентгена привело к многочисленным наградам, таким как представление его экспериментов немецкому императору и кульминацией в 1901 году, когда была присуждена первая Нобелевская премия по физике. 12 Глава 4. Развитие, вызванное открытием Рентгена С самого начала, т. е. с распространением по всему миру феномена рентгеновского излучения, открытого Рентгеном в 1896 году, был достигнут значительный прогресс в технологии, новых методах и новых областях применения. Конечно, основное внимание уделялось медицинскому использованию рентгеновских лучей, первые радиологические практики были основаны уже в 1896 г., радиология как новая дисциплина быстро развивалась, а основание научных радиологических обществ восходит к 1897 г. с The X-Ray Society и The X-Ray Society. Позже общество Рентгена объединилось в Британский институт радиологии, став первым. Из радиологии выросли новые направления: первое задокументированное лучевое лечение, проведенное Леопольдом Фройндом в Вене, который облучил пациента с невусом тремя фракциями в 1896 году, открыло лучевую терапию как новую специальность [8]. Тесно связанная с лучевой терапией Фрейнда, основанной на раннем наблюдении соматических и генетических изменений облученного биологического объекта, возникла другая специальность - радиобиология. В частности, прогресс в области рентгеновских технологий стал результатом участия многих физиков и инженеров, которые также стимулировали создание новых профессиональных обществ. Новые открытия, медицинские, биологические, физические и технические инновации были представлены на научных собраниях и в специальных научных журналах, таких как Американский журнал рентгенологии, который был основан в 1907 году. Это трагедия, что ученые, практики, технический и медицинский персонал очарованные потенциалом новой радиации, не знали о радиационной опасности — в большинстве своем еще не известной или неизученной — и игнорировали надлежащие меры радиационной защиты. Единственным исключением, однако, является сам Рентген: он заказал огромный ящик из цинка со специальным свинцовым экраном спереди, откуда наблюдал за своими экспериментами. В отличие от многих рентгенологов, манипулирующих руками с рентгеновской трубкой, на руках Рентгена не было 13 никаких лучевых повреждений. Кенотаф в Гамбурге увековечивает память сотен первопроходцев, которые в конечном итоге погибли от воздействия рентгеновских лучей в радиологии. Большинство инноваций, вызванных открытием Рентгена, до сих пор относятся к радиационной медицине. В качестве примера этой инновационной тенденции можно рассматривать широко распространенную компьютерную томографию, которая варьируется от первой идеи, предложенной Габриэлем Франком в Будапеште в 1938 году, первого клинического продукта, разработанного Годфри Хаунсфилдом в 1972 году, до современных прорывных достижений спирального сканирования [9], двухэнергетические [10] или фазово- контрастные [11]. Тем не менее, появилось множество применений рентгеновских лучей за пределами медицины. Потенциал рентгенографии в науках о материалах берет начало от самого Рентгена, когда он изобразил свое охотничье ружье. Сегодня рентгеновские лучи используются для отслеживания трещин или полостей в критических конструкциях, таких как трубы на атомных электростанциях или транспортные мосты. Другие области применения простираются на несколько порядков: от субатомных масштабов с наблюдением квантовых эффектов до рентгеновской микроскопии с ее уникальными преимуществами наноразмерного разрешения, позволяющими по-новому взглянуть на структуры и процессы молекулярной биологии. Область применения на дальнем конце это рентгеновская астрономия, где, например, можно исследовать рентгеновское излучение объектов с экстремально горячими газовыми атмосферами. Помимо этих примеров из естественных наук, применение рентгеновских лучей приносит пользу и в других областях. Например, рентгенография культурных материалов стала мощным методом, т.е. для изучения древних тотемных столбов Нинстинца в Канаде или путем анализа типа и распределения пигмента для изучения картин и оценки их происхождения [3]. Наконец, в качестве литературного аперкуума можно упомянуть, что открытие Рентгена нашло отражение в романе Томаса Манна 14 «Волшебник», опубликованном в 1924 г., где он описал сцену медицинского осмотра в так называемом «Рентген-кабинете», установленном в санатории для больных, страдающих заболеваниями легких. 15 Список литературы: 1. Иоффе А.Ф. Вильгельм Конрад Рентген. Биографический очерк. - М.-Л., 1933. - 33 с. 2. Линденбратен Л.Д. Очерки истории Российской рентгенологии. - М: ВИДАР, 1995. - С. 8-63. 3. Степанов А.В. К 100-летию открытия рентгеновских лучей // Вестник рентгенологии и радиологии. - 1993. - № 6. - С. 63-65. 4. Simonyi K. Kulturgeschichte der Physik. 3rd ed. Frankfurt: Wissenschaftlicher Verlag Harry Deutsch GmbH; 2001. 5. Faraday M. https://en.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday [accessed 21 September 2020]. 6. Lossau N. Rontgen: ¨ eine Entdeckung ver¨ andert unsere Welt. 1st ed.Koln. ¨ 1995. 8. Supplement to the Kolnische ¨ Zeitung, no. 201, July 22nd, 1857. 9. Frankel RI. Centennial of Rontgen ¨ ’s discovery of X-rays. West J Med 1996;164: 497–501. 10. Davis Edward Arthur, Falconer Isobel J. J. J. Thompson and the discovery of the electron. London: Taylor & Francis; 1997. ISBN 0-7484-0696-4. 11. Glasser O. Dr. W.C. Rontgen. ¨ 2nd ed. Springfield: III. Charles C. Thomas; 1958. 16
