La seconda metà del diciannovesimo secolo fu particolarmente feconda per quanto riguarda lo sviluppo della Scienza Fisica che iniziò a far luce sulla costituzione intima della materia grazie agli sforzi continui e meticolosi di un nutrito gruppo di studiosi di varie nazioni europee.
Era diffuso il principio del contare sulle proprie forze in quanto la ricerca scientifica aveva, allora come adesso, bisogno di tranquillità e dedizione. I finanziamenti erano limitati e le scoperte di quegli anni non avevano di solito una immediata ricaduta tecnologica ed industriale, come invece capita molto spesso ai nostri giorni. Le industrie allora esistenti non finanziavano quasi mai una ricerca scientifica che risultava molto di frontiera e i cui risultati sembravano avere applicazioni pratiche generalmente molti anni dopo il loro conseguimento.
Le figure degli studiosi dell’epoca sono poi del tutto anacronistiche se paragonate a quelle attuali ma in quegli anni erano così comuni da costituire una norma: i laboratori di ricerca non erano, infatti, appannaggio esclusivo delle istituzioni universitarie ma spesso erano locali contigui alle abitazioni di chi li usava e tra i collaboratori degli scienziati vi erano i loro stessi familiari.
Se gli assistenti di laboratorio non erano i soli familiari, allora erano degli artigiani di altissimo livello, veri e propri artisti nella fabbricazione dei più disparati strumenti ed utensili: senza l’abilità di un Heinrich Geissler, per esempio, non sarebbe stato possibile né migliorare le pompe per ottenere il vuoto all’interno di tubi di vetro né realizzarli delle più svariate forme, chiuse ad entrambe le estremità.
Quindi non sarebbe stato possibile studiare il fenomeno della scarica elettrica in gas rarefatti contenuti all’interno dei tubi.
Il tubo di Geissler, nella sua forma più semplice, è un cilindro di vetro con un elettrodo positivo (anodo) ad una estremità e un elettrodo negativo (catodo) all’altra: all’interno del tubo viene tolta l’aria e creato un vuoto parziale. L’aggiunta di piccole quantità di elementi chimici diversi da quelli che compongono l’aria che respiriamo permette, una volta applicata una tensione elettrica, di ottenere una scarica luminosa le cui caratteristiche dipendono da fattori quali la pressione residua all’interno del tubo, il tipo di elemento chimico aggiunto, la tensione applicata agli elettrodi.
Il tubo di Geissler fu acceso per la prima volta nel 1857 e da allora non ha mai smesso di funzionare e di essere prodotto trovando quasi subito applicazione anche al di fuori dei laboratori di ricerca: il dispositivo noto al grande pubblico con il nome di “tubo al neon” ed usato ancora ai nostri giorni per illuminare le stanze di una casa o abbellire negozi e ristoranti con insegne accattivanti altro non è se non il tubo di Geissler. Il neon è solo uno degli elementi chimici che possono essere posti all’interno del tubo: al suo posto si possono usare il sodio o il mercurio o altri elementi chimici, per variare la tonalità della luce emessa.
Perfino le telecomunicazioni hanno tratto vantaggio da un simile dispositivo: nel 1906 Lee De Forest inventò la sua valvola per le radio proprio traendo ispirazione dal tubo a scarica di Geissler.
Si può dire che poche invenzioni nella storia umana hanno avuto un destino più felice del tubo di Geissler e tuttavia, ciò che ispirava la ricerca scientifica in quegli anni era ancora un genuino e disinteressato amore per il Sapere, inteso come forza di liberazione ed innalzamento dell’essere umano.
Fu inseguendo questo “bisogno di sapere” che William Crookes migliorò il tubo di Geissler aggiungendo un secondo elettrodo negativo tra catodo e anodo: lo scopo era studiare la fluorescenza del fosforo spalmato sull’estremità del tubo di scarica posta dietro l’anodo, fenomeno già noto a Geissler ma difficilmente studiabile con la versione originale del dispositivo.
Grazie a questa modifica apparentemente banale, a partire dal 1861 Crookes scoprì un insieme di fatti che avevano dell’incredibile.
La scarica che si creava all’interno del tubo e visibile come un sottile filamento luminoso, colpiva il catodo principale e vi provocava l’emissione di qualcosa che, diretto verso il polo positivo e parzialmente oscurato dal catodo secondario (spesso a forma di piccola croce maltese) induceva fluorescenza nello strato di fosforo posto sull’estremità di vetro dietro l’anodo: l’immagine visibile era esattamente quella prospettica della croce maltese del catodo secondario!
Crookes diede il nome di raggi catodici a queste misteriose emissioni: fu chiaro di lì a poco come questi raggi non fossero radiazioni di tipo elettromagnetico, come le onde radio per esempio, ma corpuscoli che si propagavano in linea retta, dotati di massa e di carica elettrica negativa. Tali corpuscoli erano estratti dalla superficie metallica attraverso un meccanismo che fu spiegato in dettaglio solo anni più tardi.
La scarica visibile non era costituita semplicemente da un flusso di gas riscaldato che emetteva luce come un qualsiasi oggetto più o meno caldo ma si trattava di uno stato completamente nuovo della materia. Nel 1879 William Crookes scoprì che la materia può esistere non solo sotto forma solida, liquida o aeriforme ma anche sotto quella particolare di un gas ad alta temperatura e carico elettricamente: il plasma gassoso.
Se i raggi catodici erano in realtà corpuscoli dotati di massa e caratterizzati da carica elettrica negativa, il plasma era dotato di massa e di carica elettrica positiva lasciando così intendere che vi potessero essere fenomeni di ricombinazione e dissociazione tra plasma e corpuscoli. I raggi catodici altro non erano che elettroni mentre il plasma gassoso un flusso di ioni positivi che si creavano spontaneamente nelle prime fasi, molto rapide, della scarica.
Gli studi di quegli anni portarono presto ad abbandonare anche l’idea di atomo come costituente ultimo e non ulteriormente divisibile della materia e permisero di capire come fosse in realtà costituito da particelle di tipo diverso.
L’applicazione tecnologica dei tubi di Crookes più vicina al grande pubblico è senza dubbio la… televisione! Che si tratti di ingombranti ed obsoleti schermi a cinescopio o di più sottili e moderni schermi al plasma, è grazie ai primi studi di Crookes sui tubi omonimi e sui fenomeni che in essi si compiono che possiamo goderci la televisione tra le pareti domestiche.
In campo chimico, William Crookes è noto per la scoperta dell’elemento chimico tallio avvenuta nel 1861 mentre nel 1903 riuscì a separare l’uranio da uno dei suoi prodotti di decadimento, allora noto come uranio-X o, con termine moderno, protoattinio. Non vinse mai il premio Nobel ma ottenne comunque molti riconoscimenti inglesi.
L’applicazione più importante che scaturì dagli studi di Crookes fu tuttavia di tipo medico e conseguente ad una scoperta fatta per puro caso da Konrad Roentgen nel 1895: i raggi X.
Anche Roentgen era infatti impegnato nello studio dei fenomeni nei tubi a scarica, proprio in un laboratorio annesso al grande appartamento in cui viveva con la famiglia. Spesso compiva esperimenti di notte, così da poter analizzare meglio le scariche nei tubi che aveva a disposizione e proprio una notte, quella dell’8 novembre 1895, notò una luminescenza verdastra provenire da un pezzo di cartone che si trovava, anche questo per pura casualità, sulla traiettoria dei “raggi catodici” emessi dal tubo che stava utilizzando in quel momento, a poca distanza da esso.
Il cartone era ricoperto da una sostanza chimica reattiva alla luce ma il fenomeno appena osservato non era dovuto alla luce della scarica nel tubo e nel laboratorio non vi era illuminazione.
La luminescenza scompariva una volta spento il tubo e ritornava quanto veniva riacceso.
Roentgen pose la mano tra il tubo acceso e il cartone e con grande stupore notò sul cartone l’ombra delle sue ossa: era come se qualcosa proveniente dal tubo acceso penetrasse attraverso la pelle e le ossa della mano ma solo parzialmente, quel tanto che bastava affinché si formasse un’ombra su uno schermo.
O su una lastra fotografica, come tutti gli studiosi appresero a fare di lì a poco e come fece lo stesso Roentgen impressionando una con l’immagine della mano della moglie, che gli si prestava spesso come assistente di laboratorio.
Il nome raggi X fu scelto da Roentgen per indicare la natura sconosciuta di questa radiazione penetrante la quale permetteva di vedere all’interno di oggetti senza doverli rompere o aprirli ed aveva quindi delle applicazioni estremamente varie e tutte da esplorare.
L’esatto meccanismo di emissione dei raggi X fu compreso solo alcuni anni dopo la loro scoperta, grazie ai primi studi di meccanica quantistica.
Gli elettroni emessi dal catodo di un tubo di scarica colpiscono il vetro dietro all’anodo con una energia sufficiente ad eccitarne gli elettroni degli atomi costituenti. L’emissione dei raggi X è dovuta al ritorno degli elettroni atomici ad uno stato non eccitato. L’effetto è più marcato se l’estremità colpita dal fascio catodico è stata in precedenza spalmata con un elemento reattivo, per esempio del fosforo.
Questo è il motivo per cui, ad un certo momento, tutte le industrie iniziarono a produrre apparecchi televisivi dotati di cinescopi fatti con vetri al piombo: il piombo, aggiunto alla massa di vetro fusa, permette di assorbire le radiazioni X prodotte dagli elettroni che colpiscono lo schermo evitando così di arrecare danno ad una persona che guardi troppo da vicino la televisione (o il monitor di un computer).
A differenza dei raggi catodici che, lo ricordiamo, sono un flusso di elettroni e cioè corpuscoli dotati di massa e carica elettrica, i raggi X sono una vera e propria radiazione elettromagnetica caratterizzata da una lunghezza d’onda inferiore a quella dei raggi ultravioletti e quindi invisibili anch’essi ad occhio nudo ma dotati di maggior energia. Come impararono a loro spese molti studiosi fin dai primi tempi, i raggi X possono produrre ustioni e gravi malattie sui tessuti viventi esposti anche per brevi periodi alla loro azione.
I tubi di Crookes, modificati e migliorati per emettere fasci di raggi X in modo controllabile, trovarono applicazioni immediate negli ospedali di tutta Europa e del mondo sancendo così la nascita di una nuova branca della medicina: la radiologia.
Nel 1901 Roentgen ottenne il premio Nobel per la sua scoperta sui raggi X ma l’intero ammontare del premio, circa 50.000 corone dell’epoca, fu devoluto all’Università di Wurzburg. In seguito Roentgen si disinteressò perfino alle ricerche sulla radiazione X: fedele ad un ideale di scienza al servizio di tutta l’umanità, non volle brevettare nulla che fosse attinente alle sue scoperte. Questo permise un vasto e fecondo studio sia della radiazione X sia dei dispositivi che la potevano produrre artificialmente ma ebbe anche, come triste conseguenza, che il padre di una così grande scoperta morisse in povertà nel 1923.
La Repubblica Federale Tedesca riconobbe la grandezza di Roentgen con un francobollo commemorativo nel 1951, ponendo così fine una volta per tutte alle polemiche sulla paternità della scoperta dei raggi X sollevata dal fisico tedesco Philip von Lenard ancora nei primi anni del ventesimo secolo.