Eine neue Art von Strahlen

Honderd jaar geleden ontdekte Wilhelm Conrad Röntgen straling waarmee hij de beenderen in zijn hand zichtbaar kon maken. Het was een toevalsvondst van een degelijk maar weinig bevlogen experimentator.

Albrecht Fölsing: Wilhelm Conrad Röntgen, Aufbruch in Innere der Materie. Geïll., 363 blz., Carl Hanser Verlag 1995. Prijs ƒ 58,80. ISBN 3 446 18053 2

De ontdekking van de röntgenstraling in 1895 kwam, zoals het een ontdekking in de wetenschap betaamt, als een donderslag bij heldere hemel. Op de avond van de achtste november gedroeg de geleerde zich thuis in Würzburg aan de broodmaaltijd zeer afwezig en na afloop verdween hij, zonder zijn Bertha een woord toe te voegen, direct richting laboratorium aan de Pleicherring. Zeven weken kwam Röntgen laat thuis, at nauwelijks, zat zwijgend aan tafel, was snel aangebrand en ging er zo snel hij kon weer vandoor.

Röntgen was iets vreemds op het spoor en in de beslotenheid van zijn experimenteerkamer zocht hij naar antwoorden. Daar leek het wel een Hexenküche: het was stikkedonker, het schorre, zeurende geratel van een Klos van Ruhmkorff (een apparaat dat hoogspanning op een gasontladingsbuis zette) was om gek van te worden en daar bovenuit knetterenden de vonken die in een parallelschakeling de spanning controleerden. Dan was er het blauwe schijnsel in de buis en het vale oplichten van het fluorescentiescherm op tafel - met recht een spookachtig tafereel.

Nog spookachtiger werd het toen Röntgen ontdekte dat op de plaats waar de kathodestralen het glas troffen, 'eine neue Art von Strahlen' werd opgewekt. Zelfs als de gasontladingsbuis met zwart karton was ingepakt trad die naar buiten en deed op een nabijgelegen tafel een vel fluorescentiepapier (dat daar niet hoorde) oplichten. Het verschijnsel bleef toen Röntgen het fluorescentiepapier van de buis wegdraaide en het moet op dat moment geweest zijn dat korzeligheid om een ongewenst bijverschijnsel omsloeg in nieuwsgierigheid naar het onbekende. Hij vergrootte de afstand tussen buis en scherm, plaatste er voorwerpen van verschillende diktes tussen, van dun zilverpapier tot blokken hout, maar het effect hield aan. Tevergeefs probeerde hij de straling met een lens te convergeren, of met een prisma te breken. Ten slotte hield Röntgen zijn hand in de bundel - om tot zijn schrik te merken dat het scherm de schaduw van zijn gebeente te zien gaf.

Trouwring

Op 22 december troonde Röntgen zijn vrouw mee naar zijn proefopstelling en lichtte haar hand door - de beroemdste röntgenfoto aller tijden. Behalve vingerkootjes en middenhandsbeentjes was ook Bertha's trouwring zichtbaar. Intussen had de ordinarius ontdekt dat X-stralen, zoals hij zijn vondst doopte, in tegenstelling tot kathodestralen (korte tijd later als elektronen geïdentificeerd) niet door een magneetveld werden afgebogen. De kerstdagen gingen heen met het schrijven van een wetenschappelijk artikel dat op nuchtere toon, zonder bombarie, de waarnemingen in kaart bracht. Het verscheen bij de Würzburger Physikalisch-medicinischen Gesellschaft en op nieuwjaarsdag stuurde Röntgen overdrukjes naar collega's in binnen- en buitenland. Een dozijn gelukkigen, onder wie Boltzmann, Kohlrausch, Poincaré en Lord Kelvin, kreeg een foto meegeleverd.

Op het moment van zijn ontdekking was Wilhelm Conrad Röntgen 50 jaar oud. Geboren in het Westfaalse stadje Lennep, uit een Duitse textielhandelaar en een Nederlandse koopmansdochter (van Duitse komaf), verhuisde het gezin na drie jaar naar Apeldoorn. Daar kreeg Willem een streng-protestantse opvoeding. Op de technische school in Utrecht kon hij slecht aarden en aan het eind van het tweede cursusjaar scoorde hij voor natuurkunde 'zeer slecht'. Waarschijnlijk is de jonge Röntgen om zijn weerspannige gedrag van school gestuurd.

Intussen had hij bedacht dat hij naar de universiteit wilde. Na een stoomcursus Latijn en Grieks meldde hij zich in Utrecht, maar zakte voor het toelatingsexamen. Op de Eidgenössische Polytechische Hochschule in Zürich, dat geen diploma eiste en ook geen klassieke talen, ging het hem beter af. Vanwege de gunstige beroepsperspectieven koos Röntgen voor de richting 'mechanica' maar na zijn afstuderen lokte August Kundt hem in 1868 naar de experimentele natuurkunde. Een jaar later promoveerde hij op Studien über Gase, degelijk maar weinig schokkend en lang niet van het niveau dat Johannes Diederik van der Waals in zijn baanbrekende Leidse proefschrift kort daarop over het onderwerp aan de dag legde. Zijn verdere leven zou Röntgen van de theorie afblijven en zich fixeren op precisiemetingen aan veelal zelfgebouwde toestellen.

Buitengewoon hoogleraar

De universiteit van Würzburg, waarnaar Kundt zijn assistent had meegesleept, weigerde de kersverse doctor zijn Habilitation omdat hij geen gymnasiumdiploma kon overleggen. In Straatsburg, zojuist op de Fransen veroverd en zetel van een gloednieuwe prestige-universiteit, was dat geen probleem: Röntgen werd er buitengewoon hoogleraar. Via benoemingen aan de universiteit van Giessen en de Landbouwacademie in Hohenheim werd het in 1888 toch weer Würzburg, maar nu als gewoon hoogleraar. Een aanbieding uit Utrecht datzelfde jaar had Röntgen afgeslagen. Even was er in 1882 sprake van geweest dat Röntgen voor Leiden gevraagd zou worden, maar omdat hij niet in de 'vaderlandse natuurkunde' paste, koos men voor Kamerlingh Onnes.

Röntgen was een misantroop. Hij meed congressen en altijd wist hij een smoes te bedenken om collega's, ja zelfs zijn eigen assistenten uit de weg te gaan. Voor bestuurszaken was hij te eigengereid. Boven alles was hij een bekwaam onderzoeker, een Pietje precies die het maximale uit zijn instrumenten wist te halen - wat geen garantie was voor opzienbarende resultaten. Het schrijven van een programmatisch overzichtsartikel, van een leerboek of monografie was aan Röntgen niet besteed, liever trad hij in details over de wijze waarop hij foutenbronnen bij zijn experimenten had weten uit te schakelen. Dat Röntgen in 1894 bij vacatures in Berlijn, Bonn en Straatsburg op geen enkel lijstje voorkwam, duidt erop dat hij niet tot de top werd gerekend.

De röntgenstralen - de naam was voorgesteld door Boltzmann maar in Frankrijk en de Angelsaskische landen bleven het X-stralen - schokten de wereld. Voor het eerst werd een wetenschappelijke ontdekking onderwerp van een mediaspektakel. Al op 5 januari verscheen in het Weense dagblad Die Presse een kort bericht, twee dagen later gevolgd door een openingsartikel onder de kop 'Een sensationele ontdekking'. Niet alleen gaf het in twee pagina's (!) een fysisch correcte beschrijving, ook sprak de redacteur met vooruitziende blik over medische toepassingen van X-stralen. Het artikel werd gretig door de concurrentie geciteerd, al dan niet met bronvermelding, en binnen een week verschenen vertalingen in Le Matin en The New York Times.

Röntgen zelf bleef er onverstoorbaar onder. Over de precieze toedracht van de ontdekking zweeg hij, laboratoriumboekjes en ander waardevol materiaal werden na zijn dood in zijn opdracht vernietigd. Slechts eenmaal gaf hij een interview - 'En wat dacht u toen?' 'Ik dacht niet, ik onderzocht.' - en uitnodigingen tot een voordracht werden afgeslagen. De dag nadat een nieuwsgierige Wilhelm II in Berlijn een privé-demonstratie had ontvangen - een keizerlijke wens was een bevel - gaf Röntgen in Würzburg voor een afgeladen zaal gewoon college. Alleen de plaatselijke Physikalisch-medicinischen Gesellschaft wist hem voor een lezing te strikken, daar kon hij niet onderuit.

Onmiddellijk ging de medische stand met Röntgens ontdekking aan de haal. Professor Spies lokaliseerde met de nieuwe techniek een glassplinter in de hand van een van zijn Berlijnse patiënten en in New York maakte Michael Pupin een opname van een hand getroffen door een schot hagel. Binnen een jaar verschenen in de vakliteratuur honderden artikelen. De uitvinder liet het allemaal begaan en zijn grootste bijdrage was dat hij op ideële gronden afzag van een octrooi op zijn vondst.

Voor het gevaar dat blootstelling aan de nieuwe straling met zich meebracht was nauwelijks aandacht. In 1896 lukte in Freiburg de eerste borstfoto. Daags na de opname werd bij de viertienjarige 'gelukkige' een verbrande huid geconstateerd. Ziekenhuisopname volgde, maar al snel werd de patiënt genezen verklaard en mocht met een stuk chocola naar huis. In Amerika werden schedels meer dan een uur bestraald, met als gevolg haaruitval. Sommige artsen maakten van de nood een 'deugd' door in een primitief soort bestralingstherapie ongewenste haargroei bij vrouwen te bestrijden. De lijdensgeschiedenissen waren talrijk en ze werden ook gemeld - maar net zo hard door de pioniers verdrongen.

Weinig nieuws

Nadat de ergste storm geluwd was pakte Röntgen in Würzburg de draad van zijn onderzoek weer op. In twee vervolgartikelen ging hij in op de nadere eigenschappen van zijn X-stralen, maar in vergelijking met wat inmiddels elders was gepubliceerd bevatten ze weinig nieuws. Dat deed aan zijn roem niets af: in 1900 werd hij hoogleraar in München, waar hij zijn collega-experimentator Graetz dwarszat. Van de in 1897 door J.J. Thomson ontdekte elektronen moest Röntgen niets hebben, zelfs verbood hij dat het woord binnen de muren van zijn laboratorium werd uitgesproken. De paar artikelen (over kristalonderzoek) die in München nog uit zijn handen kwamen waren steriel en door hun opstapeling van experimentele details nauwelijks om door te komen. Medewerkers als Joffe werden niet geacht speelsheid en creativiteit aan de dag te leggen. 'Ik verwacht van u serieuze wetenschap, geen sensationele ontdekkingen,' kreeg de Rus vanuit Röntgens vakantieadres aan de Italiaanse Riviera ingepeperd, toen hij het had gewaagd zomaar iets uit te proberen.

Röntgens belangrijkste daad in München was dat hij Arnold Sommerfeld als hoogleraar theoretische fysica binnenhaalde. Die maakte school, organiseerde informele colloquia en stond open voor het nieuwe. Het was zijn leerling Max von Laue die in 1912 de eerste buigingsopname van een kristal maakte en zo aantoonde dat röntgenstralen elektromagnetische golven waren met een zeer korte golflengte. Daarmee was Röntgens vermoeden dat het om longitudinale golven in de wereldether ging, aan het slot van zijn artikel van 1895 in een zeldzaam speculatieve bui opgeworpen, weerlegd.

De ontdekking van de röntgenstraling was een toevalstreffer. De vondst hing in de lucht en toen zij ervan hoorden, vielen collega-onderzoekers als Crookes en Lenard de schellen van de ogen: hadden ze die vervelende onverklaarbare vlekken op hun fotografische platen maar meer aandacht gegeven! Het geluk van Röntgen was dat hij bij zijn onderzoek naar gasontladingsbuizen niet een bepaald programma volgde, en dat hij op het gebied van de gasontladingen geen expert was. Het was deze onbevangenheid - in de rest van zijn loopbaan zo nadrukkelijk afwezig - die Röntgen deed opmerken wat anderen over het hoofd zagen.

Nobelprijs

De Neue Art von Strahlen ontketende een revolutie in de natuurkunde. Iedereen sprong op het onderwerp. Al in 1896 volgde de ontdekking van de radioactiviteit (H. Bequerel), een jaar later gevolgd door die van het elektron (J.J. Thomson) . Dat Röntgen in 1901 de eerste Nobelprijs voor de Natuurkunde ontving - en geheel in stijl weigerde in Stockholm een Nobelrede te houden - was niet anders dan logisch. Toch, afgezien van die zeven hectische weken in Würzburg liep hij in zijn vakgebied nooit voorop. Maar wat dan nog? De Vorläufige Mitteiling van 1895 behoort door zijn nuchterheid en ingetogen rapportage van groots onderzoek tot de klassieken in de wetenschapsliteratuur.

De röntgenbuis

Het opwekken van röntgenstraling vindt tegenwoordig plaats in een hoogvacuüm gepompte buis met daarin een kathode en een anode. De kathode wordt door middel van een gloeispiraal verhit en zendt elektronen uit. Door de hoge spanning op de buis, zo'n 100 kilovolt, worden deze versneld en knallen met grote snelheid op de anode. Die is gemaakt van een zwaar metaal, bijvoorbeeld koper of wolfraam (het laatste heeft het voordeel van een hoog smeltpunt). De röntgenstraling die bij de botsingen ontstaat verlaat de buis via een venster. Bij het bombardement van de anode is slechts een klein deel van de bewegingsenergie van de elektronen beschikbaar voor straling, de rest komt vrij als warmte. Daarom moet de anode robuust worden uitgevoerd en is koeling noodzakelijk. Een röntgenbuis zendt zowel een continu als een lijnenspectrum uit. De eerste soort heet 'remstraling', met een continuüm aan golflengtes tot 1 nanometer (10-9 m), en ontstaat wanneer elektronen langs de kern van metaalatomen uit de anode scheren. De verloren bewegingsenergie als gevolg van afremmen, die van geval tot geval varieert, komt tevoorschijn als straling. Omdat de opgewekte fotonen (stralingsdeeltjes) nooit méér energie kunnen bezitten dan wat het elektron aan bewegingsenergie beschikbaar heeft, en de fotonenergie omgekeerd evenredig is met de golflengte, bezit het continue röntgenspectra een minimale golflengte afhankelijk van de spanning op de buis. Behalve afremmen kunnen de elektronen uit de kathode tijdens hun inslag op de anode ook bij een metaalatoom een elektron uit een binnenste schil wegslaan, bijvoorbeeld uit de K-schil. De lege plek wordt binnen de kortste keren opgevuld door een elektron uit de meer naar buiten gelegen L-, M-, of N-schil. Daarbij komt een specifiek bedrag aan energie vrij, zich uitend in een piek (lijn) in het röntgenspectrum. De precieze golflengtes van die pieken verschillen per atoomsoort en het lijnenspectrum is dus het visitekaartje van de anode.

    • Dirk van Delft