ヴィルヘルム・レントゲン
ヴィルヘルム・コンラート・レントゲン（Wilhelm Conrad Röntgen、1845年3月27日 – 1923年2月10日）は、ドイツの物理学者。1895年にX線の発見を報告し、この功績により、1901年、第1回ノーベル物理学賞を受賞した
生涯
X線の発見まで
1845年3月27日にラインラント（プロイセン王国ライン州）のレンネップ（Lennep、現在はレムシャイトの一部）で生まれた。父はドイツ人で織物商のフリードリヒ・レントゲン、母はオランダ人のシャルロッテ・コンスタンツェ・フローウェインで、裕福な家庭の一人息子だった[2]。1848年、一家はオランダのアペルドールンに移り住み、レントゲンはここで初等教育を受けた。しかし卒業目前の時期に教師にいたずらをした友人をかばったため、ギムナジウムに進学できなかった。結局、1862年から2年半オランダのユトレヒト工業学校で学んだ後、1865年にチューリッヒ工科大学の機械工学科に進学している。1868年に機械技師の免状を取得したが、チューリッヒ工科大学でルドルフ・クラウジウスの工業物理の講義を聞き、物理への関心が高まったという。クラウジウスの後任のアウグスト・クントに師事し、1869年に『種々の気体の熱的性質に関する研究』で博士号を取得した。
1870年にクントが再びクラウジウスの後任としてヴュルツブルク大学の教授になると、その助手となった。1872年にはチューリッヒ時代から交際して在学中に婚約していた6歳年上のアンナ・ラディッグと結婚している。アンナは後に、有名な右手のX線写真のモデルを務めている。同年クントがストラスブール大学に移ったため、これに帯同して引き続き助手となった。この頃からレントゲンは独立して実験を行なうようになる。
1874年に大学教授となる資格を得て、1875年から約1年間ホーエンハイム農業学校で数学と物理の教授を務めている。しかし、実験を行なう時間がないため助教授としてストラスブール大学に戻った。ストラスブール大学では主に物理定数の精密測定を行ない、気体や液体の圧縮率、旋光度などに関して15本の論文を発表している。これらの業績が評価され、1879年にはグスタフ・キルヒホフやヘルマン・フォン・ヘルムホルツの推薦を得てギーセン大学の物理学の正教授に就任した。ギーセン大学では、カー効果や圧電効果など、光学や電磁気学に関する研究を行なっている。また、実子がいなかったため1887年に妻の姪を養女とした
1888年にクントがベルリン大学に移り、ストラスブール大学では後任としてフリードリヒ・コールラウシュをヴュルツブルク大学から迎えた。このためヴュルツブルク大学でもポストが空き、クントやコールラウシュの推薦もあってレントゲンが教授として招かれた。同年に発表した『均一電場内での誘電体の運動により生じる電気力学的な力』という論文ではマクスウェルの電磁理論を実験的に証明し、レントゲン電流と呼ばれる現象（変位電流）を発見した。1894年には同大学の学長に選ばれている。ヴュルツブルク大学では圧力をかけた時の固体や液体の物性変化を研究し、1895年10月から放電管の実験を始めた。これが翌月のX線の発見へと繋がった。
レントゲンの生家
レントゲン博物館
X線の発見
当時、ハインリヒ・ヘルツやフィリップ・レーナルトらによって真空放電や陰極線の研究が進められていた。陰極線は電子の流れだが、金属を透過することから当時の物理学では粒子の流れではなく、電磁波の一種と考えられていた。レントゲンもこれらの現象に興味を持ち、レーナルトに依頼して確実に動作するレーナルト管を譲り受けた。なおX線の発見に関する論文でこれに対する謝辞がなかったため、レーナルトから激しい怒りを買っている。
レーナルト管は管全体が弱い光を帯びるので、陰極線を見やすくするためにアルミニウム窓以外を黒い紙で覆った。さらに、アルミ窓はないが似た構造のクルックス管からも陰極線のようなものが出ているかもしれないとレントゲンは考えた。クルックス管は陰極、陽極ともに白金が使われており、これに20kV程度の電圧を印加するので、陰極から出た電子は陽極の核外電子を弾き出して遷移が起き、白金の特性X線が生じていたことが後にわかった。レントゲンは陰極線が出るならばクルックス管よりも弱いはずだと考え、見やすくするため同様に黒い紙で全体を覆った。さらに、検出のために蛍光紙（シアン化白金バリウムの紙）を用意した。
1895年11月8日、ヴュルツブルク大学においてクルックス管を用いて陰極線の研究をしていたレントゲンは、机の上の蛍光紙の上に暗い線が表れたのに気付いた。この発光は光照射によって起こるが、クルックス管は黒い紙で覆われており、既知の光は遮蔽されていた。状況的に作用の元は外部ではなく装置だとレントゲンは考え、管から2メートルまで離しても発光が起きることを確認した。これにより、目には見えないが光のようなものが装置から出ていることを発見した。後年この発見の時何を考えたか質問されたレントゲンは、「考えはしなかった。ただ実験をした」と答えている。実験によって、以下のような性質が明らかになった[8]。
- 1,000ページ以上の分厚い本やガラスを透過する
- 薄い金属箔を透過し、その厚みは金属の種類に依存する
- 鉛には遮蔽される
- 蛍光物質を発光させる
- 熱作用を示さない
また、検出に蛍光板ではなく写真乾板を用いることで、鮮明な撮影が可能になった。
光のようなものは電磁波であり、この電磁波は陰極線のように磁気を受けても曲がらないことからレントゲンは放射線の存在を確信し、数学の未知数を表す「X」の文字を用いて仮の名前としてX線と命名した[9]。7週間の昼夜を通じた実験の末、同年12月28日には早くも"Über eine neue Art von Strahlen"（『新種の放射線について』)という論文をヴュルツブルク物理医学会会長に送っている。さらに翌1896年1月には、妻の薬指に指輪をはめて撮影したものや金属ケース入りの方位磁針など、数枚のX線写真を論文に添付して著名な物理学者に送付した。
発表後の反響、その後
X線写真という直観的にも非常にわかりやすい結果を伴っていたこと、またそれまでの研究でレントゲンが物理学の世界で一定の名声を得ていたことから、発表は急速に受け入れられた。1896年1月14日には英語版が早くも『ネイチャー』(Nature)に、次いで1月24日には『エレクトリシアン』(Electrician)、2月14日には『サイエンス』(Science)に掲載された。フランス語版も2月8日に L'Eclairage Electrique に掲載された。また、同年1月13日にはドイツ皇帝ヴィルヘルム2世の前でX線写真撮影の実演をしている。1月23日に地元のヴュルツブルクでも講演会と実演を行なった。なお、レントゲンは発表を非常に嫌っていたため、これが唯一の講演会だったとされる
国外にも情報は速く伝わり、発見から3か月後の3月25日には旧制第一高等学校の教授・水野敏之丞によって日本の科学雑誌でも紹介され、同年飯盛挺造は「Röntgen氏ノX放射線ニ就テ」という題で講演をした。また、アメリカでは透視への不安から「劇場でのX線オペラグラス禁止条例」がトレントンで2月9日に可決される騒ぎとなった。
X線に関する論文をさらに2報発表した後、1900年にレントゲンはミュンヘン大学に実験物理学の主任教授として移った。ここの物理教室での同僚にマックス・フォン・ラウエがおり、1912年にX線回折像の撮影を行なってX線が電磁波であることを初めて明らかにした。X線の正体はこれまで謎であったが、透過性の高いX線の発見はただちにX線写真として医学に応用されたため、この功績に対し1901年最初のノーベル物理学賞が贈られている。ミュンヘン大学には1920年まで在籍していたが、この間に書いた7報の論文は結晶の圧電効果など全てX線に関係のないものであった。なお、1919年には妻が亡くなっている。レントゲンは科学の発展は万人に寄与すべきであると考え、X線に関し特許などによって個人的に経済的利益を得ようとは一切せず、ドイツの破滅的インフレーションの中で癌のため1923年2月10日に逝去した。ノーベル賞の賞金についても、ヴュルツブルク大学に全額を寄付している。墓はギーセンの旧墓地 (Alter Friedhof) にある。
その他
X線の発見は他の発見と同様にレントゲン一人でなしえたものではなく、各国の研究者たちが研究を重ねた末の、ある意味で必然的な発見だった。しかし、クルックス管から未知の電磁波が出る可能性を検討したことはレントゲンの独創的な発想によるものであり、現在X線の発見の功績は彼に対して与えられている。同僚の解剖学教授だったアルベルト・フォン・ケリカーの提案がきっかけでX線はレントゲン (Röntgen Rays) とも呼ばれるようになったが、当人はレントゲンと呼ばれることを好まず、自らが仮の名とした「X線」と常に呼んでいた。
2003年、『ライフ』誌は、レントゲンが初めて撮影したX線写真を「世界を変えた100枚の写真」の1枚に選んだ。
2004年には、原子番号111の元素が彼の名前にちなんでレントゲニウムと命名された。理由はレントゲンがX線を発見してからおよそ100年後にこの元素が発見されたためである。なお、ドイツの物理学者として広く知られるが、戸籍上はオランダ人である。ヨーロッパでは科学者の国籍への関心が低いため、特に議論の対象となっていないという。
受賞歴
- 1896年 ランフォード・メダル、 マテウチ・メダル
- 1897年 エリオット・クレッソン・メダル
- 1901年 ノーベル物理学賞
- 1918年 ヘルムホルツ・メダル
X線の発見
前身であるガイスラー管と同じように、クルックス管は様々な形状のガラス容器の両端に金属電極（陰極と陽極）を取り付けたものである。ただし、ガイスラー管よりも高い真空度にまで排気されている。電極間に高電圧が印加されると、陰極からいわゆる陰極線がまっすぐ飛び出してくる。クルックスのほか、ヴィルヘルム・ヒットルフ、ユリウス・プリュッカー、オイゲン・ゴルトシュタイン、ハインリヒ・ヘルツ、フィリップ・レーナルトらはクルックス管を用いて陰極線の性質を研究した。陰極線に関する最大の知見は、その正体が負の電荷を持つ粒子の流れだというもので、J. J. トムソンの発見による。この粒子は後に「電子」（"electron"）と名付けられた。現在ではクルックス管は陰極線の演示用にしか用いられていない。
ヴィルヘルム・レントゲンは1895年にクルックス管から放射されるX線を発見した。実験用のクルックス管から発展した第一世代の冷陰極X線管は「クルックスのX線管」と呼ばれ、1920年ごろまで利用されていた
オフ状態
磁石がなければ陰極線は直進する
陰極線がU字磁石によって下方に曲げられた。
陰極線の磁気偏向を実演している様子。陰極（右側）の近くに磁石を置いて水平方向の磁場を作用させると、陰極線は磁場に直交する方向に力を受けて下方に曲げられ、管底の蛍光スポットが下にずれる。管の中の残留空気が電子線を受けてピンクに発光している。
動作原理
クルックス管は冷陰極管の一種である。すなわち、後に実用化された真空管と異なり熱電子放出のための加熱フィラメントを持っていない。その代わり、誘導コイルなどで作った高圧の直流電圧（数kV - 100 kV）を電極間に印加することで、電離した残留気体分子を陰極に衝突させて二次電子を生成する。このためクルックス管は内部に少量の空気がなければ動作しない。必要な真空度はおよそ10−6 - 5×10−8 atm（0.1 - 0.005 Pa）である。
クルックス管の中ではわずかな数のイオンと自由電子が光電離や自然放射線の電離作用などによって自然発生している。これらの荷電粒子は高電圧が管内に作る電場によって駆動される。電子がほかの気体分子と衝突すると、分子内の電子が外に叩き出されて陽イオンが残ることがある。この過程が連鎖して多数の陽イオンが発生することをタウンゼント放電という。生じた陽イオンはすべて陰極（カソード）に引き付けられていき、陰極に突入してその表面から大量の電子を叩き出す。この電子が陰極から斥力を受け、陽極（アノード）めがけて飛んでいったものが陰極線である。
管内は適度に排気されており、大半の電子が一度も気体分子と衝突せずに管の全長を飛び抜けることができる。軽量の電子は高電圧の印加によって相当な速度にまで加速される（典型的な管電圧10 kVに対して約5万9000 km/s、光速度の20%）。陽極付近に差し掛かった電子は運動量が高まっているため、陽極の引力を振り切ってその横を通り過ぎ、管底の内壁に突き当たる。電子がガラスの原子と衝突すると、その軌道電子を上のエネルギー準位に押し上げる。励起された電子はもとのエネルギー準位に戻る時、そのエネルギー差に相当する光を放出する。蛍光と呼ばれるこのプロセスにより、ガラスは黄緑色の光を発する。電子そのものは目に見えないが、電子ビームが照射されているスポットは発光によって識別できる。後年の研究者は発光を見やすくするためガラス管の内壁に蛍光体を塗った。蛍光体とは硫化亜鉛をはじめとする蛍光や燐光を発する化学物質の総称である。内壁にぶつかった電子は最終的に陽極にたどり着き、陽極に接続された導線を伝って電源へと進み、陰極へと送り返されてくる。
1870年代までにクルックスは共同研究者のギミンガムが改良したスプレンゲル式の水銀真空ポンプ（en:Sprengel pump）を用い、ガイスラー管の真空度を10−6 - 5×10−8 atmにまで向上させた（ただし、ほかでも同様の研究は行われていた）。その結果、管内の圧力を下げていくにつれて、プラズマの陰極近辺から発光しない領域が広がり始めて管全域を覆い尽くし、代りに陽極側のガラス管底が発光し始めることが発見された。この暗領域は現在「クルックス暗部」と呼ばれている。
ここで起きているのは以下のようなことである。管内の空気が排気されるにつれて、陰極から飛び出した電子の運動を妨げる気体分子の数が減っていき、電子が衝突するまでに進む平均距離が長くなる。気体分子は衝突によって光を放出するので、クルックス暗部が管全域を覆い尽くしたとき、電子は陰極から陽極まで衝突することなく直進している。衝突によってエネルギーを失うことがなくなり、またクルックス管は電圧が高いことから、電子は相当な速度にまで加速される。管の端の陽極に差しかかったとき、大多数の電子はその横を飛び過ぎてガラスの内壁にぶつかる。電子そのものは目に見えないが、電子がガラス壁にぶつかるとガラスを構成する原子が励起され、黄緑色の蛍光を放出する。後の研究者はビームスポットを見やすくするためにクルックス管の管底に蛍光塗料を塗った。
この思わぬ蛍光現象により、管内にある陽極などの物体が蛍光スポットにくっきりした影を映すことが発見された。1869年、ヒットルフは陰極から何らかの直進するビームが出ていなければ影は作られないことを初めて指摘した[9]。1876年、ゴルトシュタインは何かが陰極から放出されていることを確かめ、「陰極線」（Kathodenstrahlen）と名付けた。
その当時、既知の粒子の中で最小のものは原子であり、電子の存在は知られておらず、電流が何によって運ばれているかは謎だった。そんな中、陰極線の性質を探求するために様々な工夫を凝らしたクルックス管が作製された（後の節を参照）。真空中を弾道的に飛ぶ電子は導線を流れる電子よりも研究対象として手ごろであり、その性質は次々と暴かれていった。また、色鮮やかな光を発する放電管は、最新の電気科学の神秘を紹介する公開講座においても人気を博した。蛍光鉱物を材料としたり、蛍光塗料で蝶の絵が描かれるなどの装飾的なクルックス管も作製され、各種の蛍光物質が放つ多彩な色の光で観衆の目を楽しませた
1895年、レントゲンはクルックス管から放出されているX線を発見した。X線に様々な使い道があることはすぐに明らかになり、ここでクルックス管に初めて実用的な用途が生まれた。
クルックス管の動作は不安定で信頼性に欠けていた。陰極線のエネルギーと流量はどちらも残留気体の圧力に左右された。時間とともに気体分子は管の壁に吸収されていくため、圧力が減少することで陰極線の放出量は減少していった。さらに管内の電位差も上昇するため、陰極線はより「硬質」な（エネルギーの高い）ものとなる。そのうち圧力がさらに低下するとクルックス管はまったく動作しなくなってしまう。これを防ぐため、X線管のように使用頻度の高いクルックス管では、少量の気体を放出して機能を回復させる調節器（"softener"）が組み込まれていた。
クルックス管の後を継いだのは、1906年ごろに発明された電子回路用の熱陰極 真空管である。この種の真空管はクルックス管より低い10−9 atm（10−4 Pa）程度の圧力で動作した。この圧力では気体分子が少なすぎるため電離による伝導は行われない。その代り、より信頼性の高い電子源として、熱陰極と呼ばれる加熱用フィラメントからの熱電子放出を利用していた。現代では、クルックス管のように電離によって陰極線を作る方式は、サイラトロンのような特殊な気体放電管でしか用いられていない。
クルックス管で開発された電子線操作技術は、後の時代の真空管、中でもフェルディナント・ブラウンが1897年に発明したブラウン管に生かされている
1902年のバニティ・フェアに掲載されたカリカチュア。クルックスとその発光管の名声を物語っている。ラテン語のキャプション「ウビ・クルクス・イビ・ルクス」、すなわち「クルックスあるところに光あり」が添えられていた。
X線の発見
クルックス管に加えられる電圧が約5000 V以上の十分高い値であれば、陽極やガラス管壁にぶつかったときにX線を生成するほどの速度まで電子を加速することができる。高速の電子がX線を生成する過程は二通りある。まず、正電荷が集中している原子核の近傍を通り過ぎると電子の軌道が鋭く曲げられ、その際にX線を放射する。この過程を制動放射という。次に、電子が原子と衝突して原子内の電子を上のエネルギー準位に押し上げた際、その電子が元のエネルギー準位に戻るときに余分なエネルギーをX線として放出することがある。この過程は蛍光X線と呼ばれる。
初期に作られたクルックス管もX線を発生させていたのは間違いない。実際、イヴァン・プリュイ（en）などの当時の研究者は、クルックス管の近くに未感光の写真乾板を置くと乾板が曇ることに気づいていた。1895年11月8日、黒い厚紙で覆われたクルックス管を操作していたレントゲンは、近くに置いてあった蛍光スクリーンがかすかに光を発していることに気付いた。レントゲンはクルックス管から何らかの目に見えない放射線が出ており、厚紙を透過してスクリーンに蛍光を発させていることを察知した。手元にあった紙片や本ではこの放射線を遮ることはできなかった。レントゲンは腰を据えてこの放射線の研究に取り掛かり、1895年12月28日にはX線に関する最初の研究論文を公開した[13]。レントゲンはこの発見により第一回ノーベル物理学賞（1901年）を受賞した。
X線は医療に応用され始め、クルックス管に初めて実用的な用途が生まれた。各地の工房ではX線の発生に特化したクルックス管が製作され始め、これがX線管の原型となった。重金属はX線の発生量が大きいため、陽極の材料として主にプラチナが用いられた。陽極は陰極に対して適当な角度で傾けられており、その表面から発したX線が管の側壁を透過するようになっていた。鮮明なX線像を得るにはX線源を点光源に近づける必要があるため、陰極形状を凹球面とすることで陽極上の直径1 mmのスポットに電子線を集中照射していた。この種の冷陰極X線管は1920年頃まで用いられていたが、熱陰極クーリッジ管に後を譲った。
1910年ごろのクルックスX線管
クルックスX線管。管の頸部（右側）に取り付けられた装置は「水素浸透式圧力調節器」である
