X線の発見とレントゲン

これは「ドイツ語圏とその文化」という自作の雑誌に掲載したものである。 

　　　　　　　　　　X線の発見とレントゲン

　　　　　　　　　-ドイツ語圏世界の科学者３-

１．はじめに

レントゲンによるX線の発見についての記述をちょっと場違いかもしれないが，ラジウムの放射能の研究で有名なマリー・キュリー夫人の伝記『キュリー夫人の素顔（文献：リード）からその一節を引用するのが一番いいだろう．

（引用はじめ）

原子力時代の始まりを1895年11月8日からとしても，決しておかしくはないだろう．その日バイエルンの研究室で，一つの現象が観測され，それがその後の物理学者たちのものの見方を変えてしまった．

それを観測したのは，ウィルヘルム・レントゲン(1845-1923)であった．彼はナシの形をした陰極線管を戸棚から取り出し，その一端を電気回路に接続した．それから，その陰極線管のまわりを黒いボール紙で覆い，部屋を完全に暗くして，陰極線管に高圧の電流を通した．（中略）

陰極線管から1メートルほどまで来たとき，彼はかすかな光を見た．彼はマッチをすって，その光がどこから出ているのか見ようとした．それは白金シアン化バリウムを塗った小さなカードであった．陰極線管からの光線は，厚いボール紙に完全にさえぎられているのに，そのカードは光を放っていた．彼は陰極線管のスイッチを切った．するとバリウムを塗ったカードは光らなくなった．スイッチを入れると，カードは再び光はじめた．こうして，レントゲンはエックス線を発見したのであった。（引用者が訳書から漢字と固有名詞等を少し変更した）（引用終わり）

レントゲンはこの正体のわからない放射線の性質を調べて同じ年の12月28日に論文として発表した．このとき放射線の基本的性質はほとんど解明されていたという．これは大発見であった．手のX線写真をとればその手の骨の様子がわかることも示されたという．医学的な応用が直ちに誰の目にも明らかだった．

『キュリー夫人の素顔』によれば，X線の研究は一年経つか経たないうちに48冊の書籍と1,000編以上の論文が出版されたという．それに対比してその当時の流行の研究テーマではない，放射性元素の研究をひそかにはじめたマリー・キュリーの姿が印象的である．

しかし，以下ではレントゲンとX線に焦点をあてたいが，その前に放射線にはどのようなものがあるのかをまとめておこう．

２．放射線の種類

広辞苑によれば，放射線(radiation)とは

狭義には放射性元素の崩壊に伴って放出される粒子線または電磁波のことをいい，アルファ線・ベータ線・ガンマ線のことをいうが，それらと同じ程度のエネルギーをもつ粒子線・宇宙線を含める．

ちなみにいずれも原子核から放出されるが，アルファ線はヘリウム原子核，ベータ線は電子または陽電子，ガンマ線は非常に波長の短い電磁波である．

広義には種々の粒子線や電磁波の総称である．

とある．

狭義の意味では天然放射性元素でも人工の放射性元素でもすべて放射性元素から放射されるものという限定があるが，ここではもっと広い意味にとって放射線を考えてみよう．

電子線（陰極線），陽子線，中性子線，X線とか宇宙線も含めて考えることにしよう．そのときに放射線は質量をもった粒子放射線と質量をもたない電磁放射線とに大別できる．

１．粒子放射線

　　アルファ線，ベータ線，電子線，陽子線，中性子線，重粒子線

２．電磁放射線

　　ガンマ線，X線

がその主なものである．

電磁放射線とは普通はいわないが，電磁波の仲間には光線や赤外線，紫外線等も含まれている．光線は人間の目に見えるので，可視光線とわざわざ可視という形容詞をつけて呼ぶのが普通である．一方，紫外線や赤外線は人間の目で見ることはできないが，赤外線は体にあたると暖かく感じるし，紫外線を浴びると人の皮膚が後で黒くなったり，または赤くなったりして日焼けをする，

また，このころは携帯電話をもたない人はいないくらいだが，これは電波といわれる電磁波である．ラジオやテレビの電波も電磁波の一種である．これ等の電波の波長は0.1mmから30kmである．

X線は可視光線と同じ電磁波の１種であり，その波長は0.01nmから10nmである（注：1nm=10^{-9}mである）．参考までに可視光線の波長は380nmから800nmくらいであり，X線の波長は可視光線の波長と比べると1/40から1/80,000も小さい．

電磁波の波長$\lambda$と周波数$\nu$と速度$c$の間には

\begin{equation}

c=\lambda \nu

\end{equation}

の関係がある．この関係は難しそうだが，周波数（振動数）とは１秒間に何回1波長の振動を繰り返すかを示す量であるから，周波数に波長をかければ，それが電磁波の速さとなる．ここでcは真空中の光の速さである．

これは電磁波である以上は波長の大小にかかわらずこの関係は変わらない．もちろん電磁波の伝わる空間が真空中でなければ，その速さは真空中での光の速さより小さくなる．

波長0.01nmのX線の周波数3$\times 10^{19}$Hzであり，そのエネルギーはおよそ0.1keV，また波長10nmのX線の周波数は3$\times 10^{16}$Hzであり，そのエネルギーはおよそ100keVである\footnote{eVはエネルギーの単位の一つで，$1 \mathrm{eV}=1.9\times 10^{-19}J$である．これは1Vの電圧で電子を加速したときに電子がもつエネルギーである．

３．X線の性質

X線という名称はレントゲンがX線を発見したときにはこれがどういうものかわからなかったために代数で未知数を表すためによく使われる文字xにちなんでつけられたものである．

しかし，簡単にわかるようなX線の基本的性質はレントゲン自身によってX線の発見から数週間内に調べられた．それらの性質をここに挙げておこう~\cite{レートン}．

１．X線は高エネルギー（数10keV）の陰極線（すなわち電子）を放電管の陽極にあたるとき生じる．

２．重い金属でできている陽極は軽い金属でできている陽極よりも強いX線を発生する．

3.　X線は電荷をもたない．X線は磁場によって曲げられないから．

４．X線は帯電した物質を放電させる．

５．軽い元素からできている物質は重い元素からできている物質よりもX線を強く透過する．

６．写真乾版（フィルム）はX線に感光する．

７．X線は直進し，普通にはそれを反射させたり，屈折させたりできない．

８．シアン化白金バリウム，カルシウム化合物，ウラニウムガス，岩塩などがX線によって蛍光を出す．

その後の研究で以下の性質も判明した~\cite{レートン}．

１．X線は波動性をもつ放射線である．電磁波の１種である．

２．\X線をある条件下で偏光させることができる（注：（直線）偏光とは電磁波の電場の振動面がある平面に固定されることを意味する．振動面が回転する場合には円偏光または楕円偏光という．偏光面は光の進行方向に直角である．これは光（電磁波）が横波であることを示している．自然な光はいろいろな振動面をもつ光の重ね合わせである．光を偏光板を通すと特定の振動面をもつ光だけが得られる．これを偏光という）

３．X線は結晶で回折させることができる．これによって結晶の空間構造を知ることができるようになった．

４．X線には連続X線の他に陽極の材料に特有のスペクトラルをもつ特性X線がある．

５．特性X線の波数は陽極物質の原子量とともに増大する．

４．X線の発見の意義

物理学上の意義で言えば，特性X線の方が連続X線よりもはるかに意義が大きいが，物理学上での意義を別にすれば，医学的な診断の技術としてのX線の意義がとても大きい．

骨折したときに骨がどういう風に骨折しているのかとかいう診断を与えてくれる．これは私の経験したことだが，20数歳のときに奥歯の親知らずが生えて来て，それも成長する方向が横にある歯を押すようになったために熱を出した．

歯科医に行ったら，歯のレントゲン写真をとられて，それを見て親知らずを歯茎を切開して抜いてもらったことがある．その後も歯科でX線写真を撮ったことがあるのは１度や２度ではない．

もっとも一番よく知られているのは肺結核の診断としてのX線写真の撮影であろう．これは日本の学校や会社等では普通に健康診断の一環として行われている．

もちろん，X線撮影のための放射線障害も恐れもないわけではないが，それよりも病気の予防や診断のメリットの方が勝っている．体をCTスキャンして，肺がんや胃がんの健診をしたりする．

最近ではX線による非破壊検査が工業的にいろいろなところで行われている．大きな船の船体の鉄板でできた船腹の壁のどこかに小さな傷(crack)が入っていないか，または原子炉の格納容器に亀裂が入っていないかX線の診断機で調べるのが普通である．

航空機の機体などもそうやって検査するのだと思う．そういう検査を\textgt{非破壊検査}という．

特性Ｘ線についてはここで詳しいことを述べないが，いわゆるボーアの原子の量子論の確証と原子番号$Z$の物理学的な意義を確定した功績はとても大きい（注：原子番号$Z$は元素の原子核内の陽子の数であることがMosleyの法則によって確かめられた．ちなみにMosleyはイギリスの優れた実験物理学者であったが，第１次世界大戦のときに若くして戦死した．メンデ—レーフの元素の周期律は実はこのMosleyの研究で確定をした）．特性X線は原子の内側軌道に存在する電子が空席になることによって，より外側軌道にある電子が内側軌道に遷移するために発生する電磁波である．X線の波長が可視光の波長よりも小さいために可視光にならないが，光とX線とは原子から発生する点で同じメカニズムである（注：ガンマ線の場合は原子核から発生する．その点でガンマ線はX線とは単に電磁波としての波長の違いだけではなく，発生機構の違いがある）

もちろん，このようなX線の利用とか応用とかは直接にはレントゲンとは関係がないが，それでもX線の発見がその契機を与えたことはまちがいがない．

またその後，X線回折と言われる新しい物質の結晶構造を解析する手段が開発された．

レントゲンが優れた実験家であったということを記す，事実がある．これは上にも何度か引用したレートンの書の脚注につけられたつぎのような注意からも明らかである．

（引用はじめ）

後から考えてみると，X線が発見される数年前から，すでに多くの実験室に（X線が）存在していたことが確かなようである．なぜならば，そころの高電圧を用いた気体放電管がしばしば使われており，そこからX線が発生するからである．レントゲンは単にそれらに注目した最初の実験家であるにすぎない．（中略）この種の経験は，予期しないものに対して大きく目を開き，それに備えるのが大切であることを示している．最初は正確な測定を妨げる厄介な実験的障害に思われた効果でも，のちに，測定しようとする量よりもはるかに重要なものとなるかも知れないのである．（引用終わり）

実際，いったんX線の存在が明らかになってしまうと自分の方が先にX線を観測していたということを主張する実験家は一人二人ではなかったことを私たちは知っている．

よく言われることであるが，観測することと発見することとは同じではない．観測してもそれが新しい事実であることがはっきり認識されなければ，発見とはならない．

５．レントゲンの生涯

レントゲン(Wilhelm Conrad R\"{o}tgen)は1845年3月27日ドイツのレンネップで生まれた~\cite{山崎}．レンネップは現在はレムシャイトの一部となっており，日本では刃物の町として有名なゾーリンゲンの近くの町である．日本の商社等の支社や営業所が多くあるデュッセルドルフからもそれほど遠くはない，ライン河下流の地域でオランダにほど近い．

お父さんはドイツ人で織物の製造と販売をする職人兼商人である．お母さんはオランダ人であった．だからかどうかは知らないが，レントゲンは戸籍の上ではオランダ国籍であったという．だが，その当時国籍という概念が今ほどはっきりしていたのかどうかわからない．

1848年一家はオランダのアッペルドルンに移り住んだ．そこで初等教育を受けた後，ユトレヒトの工芸学校に入った．しかし，彼はその途中で事件に巻き込まれ，退学処分となる．それで大学への入学資格が得られなかった（注：ヨーロッパでは大学入学資格がないと大学に入学できない．その大学入学資格はフランス語圏ではバカロレアという．またドイツ語圏ではアビトューアという）．それでもユトレヒト大学の聴講生となるが，大学への入学資格をもっていないために正規の大学の学生となることができない．

そのときに，トールマン(Tohrmann)という学生と親しくなる．彼はスイスの出身であるが，父親のユトレヒト赴任について来てユトレヒト大学の学生になっていた．彼はレントゲンが大学入学資格がないために正規の大学生になれないことに深く同情して，スイスのチューリッヒ(Z\"{u}rich)にあるポリテクニク\footnote{現在ではこの学校はETHという略称で呼ばれており，最難関の大学である．このETHは約30年後にアインシュタイン(Einstein)の卒業した大学でもある．}は約10年前に創立された準大学であり，その入学試験はアビトューアがなくても受験できることを教えてくれた．

ところが受験前に病気にかかり，受験ができなくなったが，ユトレヒトの工芸学校の成績と共に病気のために受験できないという医師の診断証明書を校長に送った．その手紙に心を動かされた校長はレントゲンが無試験でポリテクニクム（工科大学）に入学できるように取り計らい，それが許された．

工科大学でははじめ熱力学をつくったことで有名なクラウジウスに学び，その後クントに学んだ．その後チューリッヒ大学で学位をとり，クントの助手となった．またクントが大学を変わったときにクントについて行って勤務する大学を変えた．その後，レントゲンは大学教授となった．教授となって４つ目の大学として1888年にヴュルツブルク大学に勤めることになった．そして7年後の1995年に大発見をすることになった．

5.1でもX線の発見の様子が描かれてはいるが，イタリア出身の物理学者セグレによる「X線の発見」の記述はつぎのようである（『X線からクォークまで』~\cite{セグレ}から引用した）．

（引用はじめ）

1895年11月8日の夕方のこと，レントゲンはヒットルフ管を操作していた．彼はそれを黒いボール紙でしっぽり覆っておいた．部屋は完全に暗くしてあった．管から少し離れた所には，スクリーン用に白金シアン化バリウムを塗った紙が一枚置かれていた．驚いたことに，レントゲンはこの紙が蛍光を発するのを見たのである．スクリーンが発光するからには何かがそれに当っているはずであるが，彼の管は黒いボール紙で覆ってあったので，光も陰極線も，そこから外に出てくるはずはない．この思いもよらぬ現象に驚き，かつ不思議にも思い，彼はもっと研究してみることにした．スクリーンを裏返して，白金シアン化バリウムを塗っていないほうが管に向かい合うようにしてみた．しかし，相変わらずスクリーンは蛍光を発している．スクリーンからもっと遠ざけてみたが，やはり蛍光は続いている．次にいろいろな物体を何種類か管とスクリーンとの間に置いてみたが，どれもそのスクリーンに向かう何物かをさえぎらないようであった．管の前方に手を出すと，スクリーンにその骨が見えた．つまりレントゲンは「新種の放射線」を見つけたのである．

（引用終わり）

こういう風に一時にすべてのことを発見できたとは私は思わないが，それでも彼の何週間かの研究の過程で起きたことを多分述べていると思われる．

レントゲンは一人で実験するのが常であったという．11月8日から実験室にこもって研究をした．自分でも信じられないような現象に出くわしたので，その新しい放射線の存在を確認するために何回も何回も繰り返して実験をした．ようやくいろいろ発見した現象を写真乾板上に記録してようやく自分の発見を確信したという．

（引用はじめ）

1895年12月28日，レントゲンは，ヴュルツブルクの物理・医学協会の秘書に論文の初稿を渡した．これはすぐに印刷されて，1986年1月の初めのうちにほうぼうへ送られた．（中略）この発見に続く数か月の間，レントゲンは世界中からの講演の招待を受けたが，ただ一つを除いて，他のどんな招待もみな，断ってしまった．自分のX線の研究を続けたかったからである．

（引用終わり）

レントゲンはこの業績により1901年にノーベル物理学賞を受けた．そのノーベル物理学賞の賞金は全部ヴュルツブルク大学に寄贈したという．また，X線についての特許をとることをある会社に提案されたが，まったく特許をとるつもりがないことをその会社に告げたという．ノーベル賞を受ける前の1900年にミュンヘン大学に移った．第一次世界大戦後のインフレのために破産して老後は大変だったらしい．1923年2月10日にミュンヘンで亡くなった．78歳だった．

６．おわりに

もう1年か2年レントゲンが長生きしていれば，ドイツ語圏で起こった量子力学の誕生に出会えたことだったろう（注＊：Heisenbergたちによる行列力学が1925年に発表され，またSchr\"{o}dingerによる波動力学の発表は1926年であった）だが，老齢のレントゲンにはそのことは知る由もなかったかもしれない．

レントゲンは機械工作が得意で，そのことが彼がX線の発見に成功した理由かもしれない．この器用さや機械が好きなことは彼の父親譲りであったと思われる．

大学入学資格をとれなかったために大学に入学できなかったというエピソードの持ち主でもあるが，そういうハンデを優秀なレントゲンははねのけてしまった．もっともX線の発見以外に後世に残る業績を上げているというわけではないが，一つの偉大な発見をすれば人生には十分すぎるであろう．

\bibitem{リード}

ロバート・リード（木村絹子 訳），『キュリー夫人の素顔』（共立出版，1975）114-115\bibitem{新村出}

新村　出編，『広辞苑』第5版（岩波書店，1998）

\bibitem{レートン}

R. B. レートン（斎藤・並木・山田・小林 訳），『現代物理学概論』（岩波書店，1970）399-449

\bibitem{山崎}

山崎岐男，『X線の発見者　W.C. レントゲン』（出版サポート大樹社，2014）

\bibitem{セグレ}

セグレ（久保亮五，矢崎裕二　訳），『X線からクォークまで』（みすず書房，1983）27-34

\end{thebibliography}

読者からの手紙

『ドイツ語圏とその文化』をいつもありがとうございます．終りまで目を通しています．貴兄の世界の拡がりに期待をしています．

ところで1巻2号のMayerの血液の色の話ですが，むかし初めてこの話を読んだとき，色の明度が変わるのは間違いだろうと思いました．その後，目にしたいくつかの教科書的な本でも，色の変化の真否については何も書かれていなくて，これを元にしたMayerの推論だけが書かれていました．歴史的事実としてはよろしいのですが，何か一言，簡単な言及が欲しいところです．間違ったデータから，正しい結論が引き出されることは，よくありますが，この場合はMayerの自然観と論理性が正しい結論を与えたのでしょうか．

波爛万丈のMayerですが，Rumfordもいろいろですね．マサチュッセッツ生まれで，アメリカ独立戦争では王党派だったため，追われて英国に亡命（独立前だから“亡命”ではなく，本国に逃れたというべきですか），火薬と砲弾についての研究が認められて，Bayern王につかえて・・・というご存知の次第ですが，独立したアメリカといつ“和解”したのでしょうか．物理学者が主に受賞しているアメリカ芸術科学アカデミーのRumford賞はRumfordの寄付が元のようなので，生前に和解したのでしょうか．現代は和解の難しい時代ですね．(M. Y.)\\

（答）

メール有難うございます．

マイヤーの血液の色の鮮明度の件は山本義隆氏の『熱学思想の史的展開』（現代数学社）のp.318に\\

（引用はじめ）

「今日の医学の常識からすると，ドイツと南洋との温度差くらいで静脈の血の色がそれほど違うことはないそうであるからこれはたいへん偶然的な，もしかしたら間違いあるいは錯覚が原因になった発見なのかもしれない」（渡辺正雄）という指摘の方が現実的な気がする．

（引用終わり）

とあります．それを踏まえてどこかに注釈をつけたのですが，そのことをもっとはっきりと指摘しておくべきだったかもしれません．しかし，そのことを当然と思ってしまったので，詳しい言及と注意をしなかったのだと思います．

ちなみに上に引用された渡辺さんの参考文献は「エネルギー概念の成立」で，東京大学公開講『エネルギー』（東京大学出版会，1974）p.17です．こちらの方はまったく見ておりません．