Eine Zufallsentdeckung mit bedeutenden Folgen – Vor 125 Jahren entdeckte Conrad Röntgen die Röntgenstrahlung

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Grenzgänge in den heutigen Wissenschaften
Beobachtungen der Wissenschaft

Am 8. November 1895 experimentierte der Physikers Wilhelm Conrad Röntgen in seinem Labor in Würzburg mit Kathodenstrahlen. Diese bestehen aus Elektronen, die nach Freisetzung aus einer Glühkathode durch ein elektrisches Feld in einer Röhre beschleunigt werden. Dabei bemerkte Röntgen, dass trotz einer Abdeckung der Röhre mit schwarzer Pappe fluoreszenzfähige Gegenstände nahe der Röhre zu leuchten begannen. Er sah also Licht, wo es eigentlich gar keines geben durfte. Röntgen erkannte schnell, dass er hier auf etwas ganz Besonderes gestossen war, eine neue Art von Strahlung. Diese hatten eine ganz spezielle Eigenschaft: Sie schienen durch die meisten Formen von Materie hindurchzugehen. Einige Wochen später gelang ihm mit Hilfe seiner Strahlen eine Aufnahme von der Hand seiner Frau, bei der ihre Knochen und ihr Ehering klar zu erkennen sind. Diese erste «Röntgenaufnahme» der Geschichte trug dazu bei, dass Röntgens Entdeckung schnell auch ausserhalb der Zirkel der Physik für Furore sorgte und eine grosse Welle der Begeisterung in der breiteren Gesellschaft auslöste. Innerhalb weniger Wochen berichteten die Zeitungen weltweit davon. Seine Entdeckung war eine der wenigen in der Physik, die selbst den Bauer, Bäcker oder Förster faszinierte. Für einen Berufstand hatten seine Strahlen allerdings wahrhaftig revolutionäre Konsequenzen: Die Mediziner waren vor Begeisterung schier ausser sich, als sie erfuhren, dass sie mit Röntgens Strahlen in das Innere des lebenden Körpers hineinschauen konnte. Heute weiss jedes Kind, was es bedeutet, wenn irgendein Körperteil «geröntgt» werden muss.

Da Röntgen Herkunft und Natur seiner Strahlung nicht kannte, nannte er sie einfach «X-Strahlung» (das «X» stand für «unbekannt»). Dieser Name hat sich in der englischen Sprache bis heute erhalten. Nachdem Röntgen seine Entdeckung anlässlich einer Sitzung der Würzburger Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft am 23. Januar 1896 vor begeisterten Zuhörern aus allen Kreisen der Wissenschaft und Gesellschaft vorgestellt hatte, wurde für die deutsche Sprache die Umbenennung der „X-Strahlen“ in „Röntgen-Strahlen“ vorgeschlagen. Für ihre Entdeckung erhielt Röntgen im Jahre 1901 „als Anerkennung des ausserordentlichen Verdienstes, das er sich durch die Entdeckung der nach ihm benannten Strahlen erworben hat“ den allerersten Nobelpreis für Physik. Die Natur der Röntgenstrahlung als elektromagnetische Wellen (mit sehr hoher Frequenz und damit hoher Energie seiner Photonen) konnte erst 1912 Max von Laue beweisen, wofür auch er 1914 den Nobelpreis für Physik verliehen bekam.

Aber nicht nur für die Medizin stellte die Entdeckung der Röntgenstrahlen den Beginn einer Revolution dar. Auch für die Physik sollten sie von allergrösster Bedeutung sein. Denn sie erwiesen sich als ein wichtiges Puzzlestück für ein den Physikern noch gänzlich unbekannten Bilds. Schon bald sollten viele weitere Puzzleteilchen dieses Bildes auftauchten, die die Physiker dann in mühevoller Arbeit zusammenfügten. Das Bild, das sich ihnen sehr langsam offenbarte, zunächst in vagen Konturen, doch dann immer klarer, war … die Struktur des Atoms!

Inspiriert durch die Ergebnisse Röntgens begann der französische Physiker Henri Becquerel nur kurz nach der Entdeckung der Röntgen-Strahlen mit einer ähnlichen Versuchsanordnung zu experimentieren. Hatte Röntgen gezeigt, dass seine Strahlung in bestimmten Stoffen Fluoreszenzerscheinungen hervorrufen konnte, so erwartete Becquerel, dass fluoreszierende Körper umgekehrt, nachdem sie normalem Licht ausgesetzt waren, wiederum Röntgenstrahlung abgeben. Zum Nachweis seiner Hypothese verwendete er verschiedene Salze des Urans, von denen er wusste, dass sie nach Lichteinwirkung fluoreszieren. Tatsächlich erschienen auf den Fotoplatten entsprechende Verdunklungen. Als er seine Experimente wegen ein paar regnerischer Tage unterbrechen musste, da ihm das Sonnenlicht als Lichtquelle für die Fluoreszenz nicht in ausreichendem Masse zur Verfügung stand, legte Becquerel die Fotoplatten mitsamt den Uransalzen in eine dunkle Schublade. Als er sie wenige Tage wieder herausnahm, erlebte er eine Überraschung: Die Fotoplatten waren stark verdunkelt, obwohl die Uransalze keinerlei Licht ausgesetzt gewesen waren, also nicht hatten fluoreszieren können. Irgendeine andere Strahlung musste die Schwärzung auf den Fotoplatten ausgelöst haben. Ohne es zu wissen, hatte Becquerel das Phänomen der Radioaktivität entdeckt. Dabei wurde klar, dass radioaktive Strahlen mit der Umwandlung von Elementen verbunden sind. Sie mussten ihren Ursprung also in den Atomen haben.

Die verschiedenen Arten von Strahlung faszinierten auch den englischen Forscher Joseph John Thomson. Thomson war besonders von einer schon länger bekannten Art der Strahlung fasziniert, die auch Röntgen in seinen Versuchen verwendet hatte, die Kathodenstrahlung. Die Physiker hatten festgestellt, dass bei Anlegung eines elektrischen Feldes an ein Metall aus diesem eine Strahlung austritt, die sich, anders als Licht, durch magnetische Felder ablenken lässt. Thomson folgerte daraus, dass diese Teilchen elektrisch geladen sind. Thomson bezeichnete sie als „corpuscles“. Doch schon 1891 hatte der irische Physiker George Johnstone Stoney dafür den Namen „Elektron“ vorgeschlagen. Da diese Elektronen aus Metallen austreten, vermutete Thomson, dass auch sie Bestandteile von Atomen sind.

Mit der radioaktiven Strahlen und den Elektronen gab es nun eine Reihe von Indizien, dass Atome aus verschiedenen Bestandteilen bestehen. Ausgehend von der Entdeckung Conrad Röntgens vor 125 Jahren machten sich die Physiker auf zur Entdeckung des heiligen Grals der Physik, der Entwicklung eines konsistenten Atommodells. Damit begannen die Dinge in ihrer Disziplin einen Verlauf zu nehmen, den sie sich in ihren wildesten Träumen nicht hätten vorstellen können. Sie waren dabei gezwungen, sich von 250 Jahre alten physikalischen und mehr als 2500 Jahre alten philosophischen Gewissheiten zu verabschieden. Diese Entwicklung sollte nicht nur die Physik, sondern die gesamte menschliche Gesellschaft dramatisch verändern.

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Jahrgang 1969 habe ich in den 1990er Jahren Physik und Philosophie an der Universität Bonn und der École Polytechnique in Paris studiert, bevor ich am Max-Planck-Institut für Physik komplexer Systeme in Dresden im Bereich theoretischer Physik promoviert und dort auch im Rahmen von Post-Doc-Studien weiter auf dem Gebiet der nichtlinearen Dynamik geforscht habe. Vorher hatte ich auch auf dem Gebiet der Quantenfeldtheorien und Teilchenphysik gearbeitet. Unterdessen lebe ich seit nahezu 20 Jahren in der Schweiz. Seit zahlreichen Jahren beschäftigte ich mich mit Grenzfragen der modernen (sowie historischen) Wissenschaften. In meinen Büchern, Blogs und Artikeln konzentriere ich mich auf die Themen Naturwissenschaft, Philosophie und Spiritualität, insbesondere auf die Geschichte der Naturwissenschaft, ihrem Verhältnis zu spirituellen Traditionen und ihrem Einfluss auf die moderne Gesellschaft. In der Vergangenheit habe ich zudem zu Investment-Themen (Alternative Investments) geschrieben. Meine beiden Bücher „Naturwissenschaft: Eine Biographie“ und „Wissenschaft und Spiritualität“ erschienen im Springer Spektrum Verlag 2015 und 2016. Meinen Blog führe ich seit 2014 auch unter www.larsjaeger.ch.

2 Kommentare

  1. Lars Jaeger schrieb (07. Nov 2020):
    > […] Röntgen erkannte schnell, dass er hier auf etwas ganz Besonderes gestossen war, eine neue Art von Strahlung. Diese hatten eine ganz spezielle Eigenschaft: Sie schienen durch die meisten Formen von Materie hindurchzugehen.

    –> Sie [die Strahlung] schien

    > Denn sie erwiesen sich als ein wichtiges Puzzlestück für ein den Physikern noch gänzlich unbekannten Bilds.

    –> [ein] unbekanntes Bild

    > Thomson war besonders von einer schon länger bekannten Art der Strahlung fasziniert, die auch Röntgen in seinen Versuchen verwendet hatte, die Kathodenstrahlung.

    –> [von] der Kathodenstrahlung

    > Mit der radioaktiven Strahlen und den Elektronen gab es nun eine Reihe von Indizien, dass Atome aus verschiedenen Bestandteilen bestehen.

    –> [Mit der] Strahlung

    p.s. Kommentar eingereicht am 30.10.2020 (Link im Memo):

    Markus Pössel schrieb (27.10.2020,22:49 Uhr):
    > [ » … Definition von Form … « ] …deswegen hatte ich mich in Teil I ja mit Längenmessungen und Geometrie beschäftigt.

    Beschäftigt zweifellos — aber mit irgendeinem nachvollziehbaren Ergebnis ?

    Konkret wie (mit welchen im Rahmen der RT festgesetzten Methoden) sollte denn zunächst überhaupt festgestellt werden, ob und welche der im Teil I in Betracht stehenden “Punkte” bzw. “Linealkanten” gegenüber einander “fest” bzw. starr oder gar ruhend bzw. (in W. Rindlers Formulierung) »sitting still in space relative to each other« gewesen wären ??

    Konkret wie wäre denn nun der im Teil I gebrauchte Begriff “Winkel” definiert, ohne Längenmessungen oder gar “Form” vorauszusetzen ??

    Und vor allem:
    Konkret wie laufen all diese Begriffe und damit erhaltenen Aussagen auf auf die von Einstein in Ansatz gestellten Koinzidenz-Bestimmungen hinaus ??

    Im Zusammenhang mit Teil I wurde ja darum gebeten, “Vorgriffe” zu unterlassen, und das wurde MBMN auch im Rahmen des Erträglichen respektiert.
    Aber wann gelangt die lobenswerter Weise in diesem SciLog in Angriff genommene Blog-Serie über die RT endlich mal zu Lösungen ??
    Ich weise im Zusammenhang mit auf Koinzidenz-Bestimmungen hinauslaufenden Feststellungen von gegenseitiger Ruhe (und tatsächlich auch von “Form”) doch nicht umsonst ziemlich hartnäckig auf tetrahedral-oktahedrale (alias Sierpinski-tetraedrische) Ping-Koinzidenz-Gitter hin. …

  2. Wilhelm Conrad Röntgen war alles andere als ein Genie (kein Abitur, keine Unizulassung in Holland, später bestandene Aufnahmeprüfung ETH, wurde Maschinenbauingenieur, erst später Physiker) und erhielt trotzdem zurecht den Nobelpreis, denn was er entdeckte war für Physik und Technik von ungemein grosser Bedeutung. Röntgens Karriere mit seinen vielen Stationen, beginnend mit einer Privatschule für spätere Techniker, zeigt aber, wie weit Deutschland von seinen Institutionen her und seiner wissenschaftlich/technischen Orientierung her um 1900 herum schon entwickelt war.

    Ein weiterer hier erwähnter Nobelpreisträger, Henri Becquerel, ist ein weiterer Beleg dafür wie weit Europa um 1900 herum schon wissenschaftlich/technisch entwickelt war. Denn Henri Bequerel war der Sohn von Alexandre Edmond Becquerel, dem Entdecker des photoelektrischen Effekts und gehörte damit mindestens schon zur zweiten Generation der wissenschaftlichen Elite Europas.

    Auch der hier erwähnte Joseph John Thomson zeugt vom hohen technisch/wissenschaftlichen Entwicklungsstand, hier speziell demjenigen von Grossbritannien, zur Zeit um die Jahrhundertwende vom 19. ins 20. Jahrhundert.
    Nach dem Willen seiner Eltern sollte Thomson Ingenieur in einer Lokomotivfabrik werden, später aber, als Halbweise, dem die Mittel für die weitere Ingenieurausbildung fehlten, zeigte sich Thomsons ausgesprochene mathematisch/theoretische Begabung, die ihm trotz fehlender experimenteller Begabung (Tollpatsch) zu einer grossen akademischen Karriere verhalf, in der er Schüler wie Ernest Rutherford ausbildete. Elektrodynamik, Lorentz-Kraft, elektromagnetische Masse und Elektronen als Bestandteile der Kathodenstrahlen waren die Konzepte mit denen er sich einen Namen machte.

    Röntgen, Bequerel und Thomson waren alle Entdecker von Strahlen, die entfernt an Sonnenstrahlen erinnerten, doch die sich den menschlichen Sinnen entzogen. In einem gewissen Sinne war die Strahlung, die sie beschrieben sowohl als Korpuskel- als auch als Wellenstrahlung beschreibbar. Schon Newton hatte Licht ja als Partikel zu beschreiben versucht, war aber daran teilweise gescheitert.
    Strahlen waren jedenfalls „Botschafter“ einer sonst nicht zugänglichen Welt – zum Beispiel der Welt des Atoms.

    Bedeutung: Strahlen und Felder und nur sie lassen uns die Welt erfahren.

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