מדע חדש נולד

"המהפכה הגדולה ביותר בתולדות המדע החלה עם המצאתה של משאבת רִיק משופרת באמצע המאה התשע-עשרה", כתב ג'ון גריבין בספרו "היסטוריה של המדע" (הוצאת ידיעות ספרים). שכלול של הטכנולוגיה הזו איפשר את המצאתה של שפופרת הרִיק, צינור זכוכית שלחץ האוויר בתוכו קטן פי 10,000 מהלחץ הרגיל. לקראת סוף המאה ה-19 עשו כמה פיזיקאים ניסויים בשפופרות כאלה, וגילו קרניים העוברות דרך הריק כשמעבירים זרם חשמלי באלקטרודות הנעוצות בשני קצות השפופרת. טיבן של הקרניים היה בגדר תעלומה: רבים סברו כי זו צורה לא מוכרת של קרינה אלקטרומגנטית, כמו האור הנראה, ואילו אחרים טענו בתוקף שהקרניים הן אלומות חלקיקים שעדיין אינם מוכרים למדע.

פרופסור לפיזיקה שלא הותיר חותם עד גיל 50, ואז קנה את עולמו. וילהלם רנטגן | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

קרינה חדשה

וילהלם קונרד רנטגן (Röntgen) נולד ב-1845 בעיר לֶנֶפּ שבגרמניה, בנם היחיד של יצרן וסוחר בדים ורעייתו. הוא גדל בהולנד, משם הגיעה משפחתה של אמו, ולאחר שסיים את לימודי התיכון באוּטְרֶכְט פנה ללימודי הנדסה בציריך שבשווייץ, שם גם קיבל דוקטורט בפיזיקה. הוא מעולם לא בלט כתלמיד מצטיין במיוחד, אם כי ניחן בתבונת כפיים ובנה מכשירים מכניים שונים. לאחר שעבר בין כמה אוניברסיטאות, התיישב לבסוף בוִירְצְבּוּרְג שבגרמניה, שם מונה לפרופסור לפיזיקה. הוא לא הותיר חותם מיוחד בתחום עד שהגיע לגיל 50.

ב-1895 החל רנטגן לחקור גם הוא את התנהגותן של אותן קרניים מסתוריות, שכונו "קרני קתודה", משום שנפלטו מהאלקטרודה ה"חיובית", שממנה יוצא הזרם החשמלי. שנה קודם לכן הראה פיזיקאי גרמני אחר, פיליפ לנארד (Lenard) כי הקרניים האלה יכולות לעבור דרך יריעות מתכת דקיקות בלי להותיר בהן חורים. התצפית הזו חיזקה את ההשערה שמדובר בגלים, מתוך הנחה שחלקיקי חומר יותירו חורים בעת מעבר דרך חומר אחר. כדי לוודא שמדובר בצורה של קרינה, החליט רנטגן לעטוף בקרטון שחור את השפופרת ולעבוד בחדר חשוך, כך שיוכל להבחין בנקל באורן של הקרניים.

את הקרניים הוא לא ראה, אבל להפתעתו הבחין בחדר החשוך במשהו אחר זורח. זה היה לוח מצופה בחומר פלואורסצנטי, הפולט אור בתגובה לקרינה ונועד למדידה של קרני קתודה. אלא שהפעם הלוח לא היה חלק מהניסוי, וניצב בצד החדר, הרחק ממסלולן המשוער של הקרניים. רנטגן החל לחקור את התופעה, ועד מהרה הבין שמדובר בסוג לא מוכר של קרניים, החודרות כמעט דרך כל חומר שהוא העמיד בדרכן. הוא החל להשתמש בלוח צילום כדי לבדוק באופן שיטתי את חדירות הקרניים המוזרות דרך חומרים שונים בעובי שונה, וראה שבחומרים מסוימים, הקרניים חודרות פחות ככל שהם עבים יותר.

את התגלית המפתיעה ביותר של סדרת הניסויים שוב עשה במקרה, כשביקש לבדוק אם הקרינה עוברת דרך פיסת עופרת. הוא מיקם את העופרת בזמן שהמכשיר פעל, וכשבדק את לוח הצילום הבחין לצד הצל של העופרת בצילום של עצמות כף ידו. רנטגן הבין מיד את החשיבות העצומה של הקרינה שגילה. הוא הסתגר במעבדה במשך כמה שבועות, בוחן שוב ושוב בדרכים שונות את פעולת הקרניים המסתוריות, שבינתיים נתן להן את השם קרני X. כשהיה משוכנע בתגליתו ביקש מאשתו, אנה ברטה, להניח לכמה דקות את כף ידה על לוח צילום והפעיל את המכשיר. על הלוח נראו בבירור עצמות האצבעות, ואף טבעת הנישואין שענדה, מוקפים בהילה החיוורת של הבשר. "ראיתי את המוות", סיפרה על תגובתה לצילום. השבועון "טיים" בחר לימים בצילום הרנטגן ההיסטורי לרשימת מאה התמונות המשפיעות בהיסטוריה.

"ראיתי את המוות", אמרה אנה ברטה רנטגן על הצילום ההיסטורי של כף ידה | מקור: Science Photo Library

תחום חדש ברפואה

אחרי כמה שבועות של מחקר מדוקדק, סיכם רנטגן את ממצאיו וב-28 בדצמבר שלח את המאמר לכתב העת לפיזיקה רפואית של וירצבורג, בכותרת על סוג חדש של קרינה (UBER EINE NEUE -ART VON STRAHLEN). המאמר כלל גם צילומים, בהם הצילום של כף ידה של אנה רנטגן, וכשהתפרסם בראשית ינואר 1896 עורר עד מהרה עניין רב. דיווחים הופיעו בעיתונות הפופולרית ובתוך כמה שבועות פרסמו שני כתבי העת המדעיים החשובים ביותר, Nature ו-Science, תרגום של המאמר לאנגלית. רנטגן הוזמן להציג את הפיתוח לקיסר וילהלם בברלין.

הפוטנציאל הרפואי העצום מומש במהירות מסחררת. כבר במהלך 1896 נפתחה מחלקה ראשונה לרדיולוגיה רפואית בבית חולים בגלזגו שבסקוטלנד, ועד מהרה השימוש בקרני X הפך כלי מרכזי באבחון רפואי בכל רחבי העולם. במלחמת העולם הראשונה התקינה הפיזיקאית הנודעת מארי קירי מכונות רנטגן על משאיות, ושיגרה מכוני אבחון ניידים לחזית לסייע בטיפול הרפואי בחיילים. רנטגן עצמו הפך לאדם מפורסם מאוד, וזכה בשלל פרסים ואותות הוקרה. ב-1901 הוא היה החתן הראשון של פרס נובל בפיזיקה. למרבה הצער, איש לא היה מודע בימים ההם לסכנות של חשיפה רבה ומצטברת לקרינה, והצילומים שנעשו לעיתים למטרות הנאה ושעשוע, לא רק לשימוש רפואי, גבו גם קרבנות.

"מסיבת חוף בסגנון רנטגן", איור שהופיע בעיתונות בשנת 1900 | מקור: Science Photo Library

אופקים חדשים

כיום אנו יודעים כי הקרניים הקתודיות שראו הפיזיקאים במאה ה-19 היו אלומות של אלקטרונים, שנפלטו מאלקטרודה אחת ועברו לשנייה בריק כשהזרם החשמלי היה חזק מספיק. לעיתים התופעות שנראו נגרמו דווקא מיונים (אטומים בעלי מטען חשמלי), שנוצרו כאשר משאבות הריק לא היו חזקות די הצורך ובשפופרות נותרו שאריות גזים. החוקרים שסברו כי מעבר חלקיקים דרך חומר יותיר בו חורים לא הביאו בחשבון את האפשרות של חלקיקים קטנים מאטום בודד. האלקטרון עצמו התגלה רק ב-1897, וחלקיקים תת-אטומיים אחרים המתינו עד המאה ה-20.

הקרניים שגילה רנטגן, לעומת זאת, לא היו אלומות האלקטרונים של קרני הקתודה אלא אכן צורה של קרינה אלקטרומגנטית בעלת אנרגיה גבוהה בהרבה מזו של האור הנראה, בזכות התדירות הגבוהה שלה ואורך הגל הקצר. הקרינה הזו נוצרה כאשר אלומת האלקטרונים פגעה בדופן הזכוכית של שפופרת הריק. בתוך שנים אחדות גילו פיזיקאים כי נוסף על היותן שימושיות מאוד בהדמיה רפואית יש לקרני X גם שימושים רבים אחרים, בהם יינון גזים. עד מהרה התברר גם כי בגלל אורך הגל הקצר, פיזור הקרניים מגבישים יכול לסייע בחשיפת המבנה של הגביש בהפרדה גבוהה מאוד. כך נולדה שיטת הקריסטלוגרפיה בעזרת קרני X, המאפשרת לזהות את המבנה של מולקולות רבות, מחלבונים ועד DNA. גילוי קרני X גם הוביל עד מהרה לתגלית מדעית אחרת ששינתה את ההיסטוריה, הקרינה הרדיואקטיבית.

רנטגן עצמו כמעט לא תרם עוד דבר למדע לאחר התגלית ההיסטורית. הוא פרסם בסך הכל שלושה מאמרים על הקרינה שגילה, וב-1900 מונה לפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת מינכן. אף שהיה אדם אמיד, הערך של נכסיו צלל במשבר הכלכלי שפקד את גרמניה לאחר מלחמת העולם הראשונה, והוא פשט רגל. את שנותיו האחרונות עשה בביתו הכפרי בוויילהיים שמחוץ למינכן, עד שמת ב-1923 מסרטן המעי, קרוב לוודאי תוצאה של החשיפה הרבה לקרני X במהלך חייו. כפי שביקש בצוואתו, כל מסמכיו המדעיים ומכתביו האישיים הושמדו לאחר מותו, מלבד מסמכים מעטים שנותרו שמורים בספריה רפואית במרילנד שבארצות הברית.