Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlung  sind elektromagnetische Wellen mit einer Photonenenergie zwischen ungefähr 100 eV und 250 keV. Röntgenstrahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem ultraviolettem Licht und der Gammastrahlung. Die Röntgenstrahlung wurde von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt und trägt in Deutschland zu seinen Ehren seinen Namen. Im Ausland wird die Strahlung häufig X-Strahlung (englisch: X-Ray) genannt, so wie Röntgen sie selbst bezeichnet hat.

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Einordnung im elektromagnetischen Spektrum

Das Spektrum der Röntgenstrahlung beginnt unterhalb der extremen UV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 10 nm (weiche Röntgenstrahlung) und reicht bis zu ca 5 pm hinab (harte Röntgenstrahlung). Die Energiebereiche der Gamma- und Röntgenstrahlung überschneiden sich dabei in einem weiten Bereich. Beide Strahlungsarten sind elektromagnetische Strahlung und bei gleicher Energie deshalb äquivalent. Das Unterscheidungskriterium ist die Herkunft: Röntgenstrahlung entsteht im Gegensatz zur Gammastrahlung nicht bei Prozessen im Atomkern, sondern durch hochenergetische Elektronenprozesse. Das in Röntgenröhren (siehe unten) erzeugte Strahlungsspektrum ist dabei eine Überlagerung eines kontinuierlichen mit einem diskreten Spektrum. Die Lage des Maximums hängt von der Betriebsspannung der Röhre ab. Röntgenphotonen haben eine Energie von etwa 1 keV bis 250 keV, entsprechend einer Frequenz von etwa 2,5·10¹⁷ Hz bis 6·10¹⁹ Hz. Im kurzwelligen Bereich existiert keine einheitliche Definition der Grenzwellenlänge. Allerdings sind der Erzeugung immer kurzwelligerer Röntgenstrahlung technische Grenzen gesetzt.

Erzeugung

    Röntgenstrahlung kann durch zwei verschiedene Vorgänge entstehen:

• durch starke Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Elektronen) -- dies ist die Bremsstrahlung, deren Spektrum kontinuierlich ist --
• und durch hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen. Dies ist die charakteristische Röntgenstrahlung. Sie weist stets ein Linienspektrum auf.

Beide Effekte werden in der Röntgenröhre ausgenutzt, in der Elektronen zunächst von einer Glühwendel (Kathode) aus beschleunigt werden (dabei setzen sie keine Röntgenstrahlung frei, weil die Beschleunigung nicht groß genug ist) und anschließend auf die Anode treffen, in der sie stark abgebremst werden. Hierbei entsteht Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung, mit insgesamt rund 1% der eingestrahlten Energie) und Wärme (rund 99%). Außerdem werden durch Elektronenstöße Elektronen aus den Schalen der Metallatome herausgeschlagen. Die Löcher in den Schalen werden durch andere Elektronen aufgefüllt, wobei charakteristische Röntgenstrahlung entsteht.

Die Anoden sind heutzutage meist aus Keramiken, wobei die Stellen, auf welche die Elektronen auftreffen, aus Molybdän bestehen.

Eine weitere Möglichkeit, Röntgenstrahlung zu erzeugen, sind Teilchenbeschleuniger, insbesondere bei Beschleunigung von Elektronen. Hier entsteht, wenn der Teilchenstrahl in einem starken Magnetfeld abgelenkt und dadurch quer zu seiner Ausbreitungsrichtung beschleunigt wird, Synchrotronstrahlung, eine Art der Bremsstrahlung. Bis zu einer Maximalenergie enthält die Synchrotronstrahlung das gesamte elektromagnetische Spektrum. Bei passend gewählten Parametern (Stärke des Magnetfeldes und Teilchenenergie) ist dabei auch Röntgenstrahlung vertreten.

Wechselwirkung mit Materie

Die Brechzahl von Materie für Röntgenstrahlung weicht nur wenig von eins ab. Dies hat zur Folge, dass eine einzelne Röntgenlinse lediglich schwach fokussiert oder defokussiert und man für einen stärkeren Effekt Linsenstapel benötigt. Des Weiteren werden Röntgenstrahlen bei senkrechtem Einfall kaum reflektiert. Trotzdem hat man in der Röntgenoptik Wege gefunden, optische Bauelemente für Röntgenstrahlen zu entwickeln.

Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen. Sie werden dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der radiologischen Bilderzeugung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt mit der im Material zurückgelegten Weglänge d exponentiell ab (I = I₀ e^-kd), der Koeffizient k ist dabei materialabhängig und etwa proportional zu Z³λ³ (Z ... Ordnungszahl, λ ... Wellenlänge).

Die Absorption resultiert aus der Photoabsorption und der Compton-Streuung:

• Bei der Photoabsorption schlägt das Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Betrachtet man die Absorptionswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Photonenenergie, steigt sie bei Erreichen der Mindestenergie abrupt auf einen Maximalwert an. Zu höheren Photonenenergien nimmt die Wahrscheinlichkeit dann wieder kontinuierlich ab. Wegen dieser Abhängigkeit spricht man auch von einer Absorptionskante. Das Loch in der Elektronenhülle wird wieder durch andere Elektronen aufgefüllt. Dabei entsteht niederenergetische Fluoreszenzstrahlung.
• Außer an stark gebundenen Elektronen wie bei der Photoabsorption kann ein Röntgen-Photon auch an ungebundenen oder schwach gebundenen Elektronen gestreut werden. Diesen Prozess nennt man Compton-Streuung. Die Photonen erfahren durch die Streuung eine vom Streuwinkel abhängige Verlängerung der Wellenlänge um einen festen Betrag und damit einen Energieverlust. Im Verhältnis zur Photoabsorption tritt die Compton-Streuung erst bei hohen Photonenenergien und vor allem bei leichten Atomen in den Vordergrund.

Bei der Photoabsorption und der Compton-Streuung handelt es sich um inelastische Prozesse, bei denen das Photon Energie verliert und schließlich absorbiert wird. Daneben ist auch elastische Streuung (Rayleigh-Streuung) möglich. Dabei bleibt das gestreute Photon kohärent zum einfallenden und behält seine Energie.

Zusätzlich zu den genannten Prozessen ist für Photonen prinzipiell auch die Paarbildung möglich. Dafür sind jedoch Energien jenseits von ca. 1 MeV nötig, die nicht in den oben angegebenen Bereich für Röntgenphotonen (< 250 keV) fallen.

Biologische Wirkung

Röntgenstrahlung ist ionisierend. Sie kann dadurch Veränderungen im lebenden Organismus bis hin zu Krebs verursachen. Diese meist unerwünschten Effekte begründen die Notwendigkeit des Strahlenschutzes. Die empfindliche Struktur für die Entstehung von Krebs ist die Erbsubstanz (DNA), dabei wird von einem linearen Anstieg der Schäden mit der Dosis ausgegangen. Dies heißt, dass auch eine sehr kleine Strahlendosis ein Risiko birgt, Krebs zu induzieren, wenn auch eben ein sehr kleines Risiko. Dieses Risiko ist jeweils abzuwägen gegen die Vorteile der medizinischen Diagnose mittels Röntgenstrahlung.

Nachweis

• Lumineszenzeffekt. Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtabgabe an ("Fluoreszenz"). Dieser Effekt wird auch bei der radiologischen Bilderzeugung genutzt. Medizinische Röntgenfilme enthalten meistens eine fluoreszierende Folie, die bei Auftreffen eines Röntgenphotons Licht aussendet und die umliegende lichtempfindliche Fotoemulsion belichtet.
• Photographischer Effekt. Röntgenstrahlen können ebenso wie Licht fotografische Filme direkt schwärzen. Ohne eine fluoreszierende Folie wird eine etwa 10-20fach höhere Intensität benötigt. Der Vorteil liegt in der größeren Schärfe des aufgenommenen Bildes.
• Einzelne Röntgenphotonen werden im Geiger-Müller-Zählrohr durch die Ionisation eines Zählgases nachgewiesen.
• In Halbleiter-Dioden (Halbleiterdetektoren) erzeugen die Röntgenphotonen Elektron-Loch-Paare innerhalb des Halbleiters, die in der Raumladungszone getrennt werden. Dadurch wird ein kleiner Strom hervorgerufen, dessen Stärke proportional zur Energie und Intensität der einfallenden Röntgenstrahlung ist.

Sichtbarkeit für das menschliche Auge

Entgegen der weit verbreiteten gegenteiligen Überzeugung kann das menschliche Auge Röntgenstrahlung teilweise wahrnehmen^[1]. Schon kurz nach Röntgens Entdeckung 1895 berichtete Brandes von einem schwachen, blau-grauen Schein, der anscheinend im Auge selbst entstand, wenn er sich in einem abgedunkeltem Raum nahe bei einer Röntgenröhre befand. Daraufhin stellte Röntgen fest, dass auch er diesen Effekt beobachtet hatte. Zuerst hatte er es für Einbildung gehalten, da der Effekt nur von der stärksten Röntgenröhre erzeugt wurde und er ihn deshalb nur einmal bemerkt hatte.

Das Wissen, dass Röntgenstrahlung mit dem bloßen, an die Dunkelheit angepassten Auge wahrgenommen werden kann, ist heute weitgehend vergessen. Der Grund dafür ist wahrscheinlich, dass der Versuch heute als unnötig gefährlich und schädlich gilt. Der genaue Mechanismus der Wahrnehmung ist nicht geklärt. Möglich ist der normale Weg über die Erregung der Netzhaut, eine direkte Erregung des Sehnervs oder beispielsweise auch, dass die Röntgenstrahlen im Augapfel Phosphoreszenz hervorrufen, und dann "normales" Licht wahrgenommen wird.

Anwendungen

  Mit Röntgenstrahlung kann der menschliche Körper durchleuchtet werden, wobei vor allem Knochen, aber bei modernen Geräten auch innere Organe sichtbar werden (siehe auch Röntgen). Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass das in den Knochen vorkommende Element Calcium mit Z=20 eine deutlich höhere Ordnungszahl hat als die Elemente, aus denen die weichen Gewebe hauptsächlich bestehen, nämlich Wasserstoff (Z=1), Kohlenstoff (Z=6), Stickstoff (Z=7) und Sauerstoff (Z=8). Neben herkömmlichen Geräten, die eine zweidimensionale Projektion produzieren, werden auch Computertomographen eingesetzt, die eine räumliche Rekonstruktion des Körperinneren ermöglichen.

In der Materialphysik, der Chemie und der Biochemie wird Streuung von Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung benutzt. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung der DNA. Mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) kann die elementare Zusammensetzung einer Probe untersucht werden. Zusätzlich bietet XPS die Möglichkeit, chemische Bindungen zu untersuchen.

Darüber hinaus kann mit Röntgenstrahlung auch die Elementzusammensetzung eines Stoffes bestimmt werden. In einer Elektronenstrahl-Mikrosonde (beziehungsweise äquivalent im Elektronenmikroskop) wird die zu analysierende Substanz mit Elektronen bestrahlt, worauf die Atome ionisiert werden und charakteristische Röntgenstrahlung abgeben. Statt mit Elektronen kann auch mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden. Dann spricht man von der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA).

Natürliche Röntgenstrahlung

Auf der Erde entsteht Röntgenstrahlung in geringer Intensität im Zuge der Absorption anderer Strahlungsarten, die von radioaktivem Zerfall und der Höhenstrahlung stammen. Röntgenstrahlung, die auf anderen Himmelskörpern entsteht, erreichen die Erdoberfläche nicht, weil sie durch die Atmosphäre abgeschirmt werden. Sie werden mit Röntgensatelliten wie Chandra und XMM-Newton untersucht.

Anmerkung: Röntgenstrahlung im engeren Sinn heißt Strahlung, die durch Beschleunigung von Elektronen und Auftreffen derselben auf ein Ziel künstlich erzeugt wird. Natürlich entstehende elektromagnetische Wellen im Frequenzspektrum der Röntgenstrahlung heißen Gamma-Strahlen.

Entdeckungsgeschichte

  Die erste Beobachtung von Röntgenstrahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen erfolgte am Physikalischen Institut der Julius-Maximilians-Universität Würzburg am späten Freitagabend des 8. November 1895 als – wie er es selbst beschrieb – "sich keine dienstbaren Geister mehr im Hause befanden". Bereits sieben Wochen später, am 28. Dezember 1895, reichte er eine Arbeit zur Veröffentlichung ein unter dem Titel: Über eine neue Art von Strahlen.^[2]

Röntgen gilt als Entdecker der heute nach ihm benannten Strahlen, obwohl feststeht, dass schon andere vor ihm Röntgenstrahlung erzeugt haben. In den von Johann Hittorf und William Crookes entwickelten Kathodenstrahlröhren, die auch Röntgen für seine Experimente verwendete, entsteht Röntgenstrahlung, die in Experimenten von Crookes und ab 1892 von Heinrich Hertz und seinem Schüler Philipp Lenard durch Schwärzung von fotografischen Platten nachgewiesen wurde, ohne sich aber offenbar über die Bedeutung der Entdeckung im Klaren zu sein. Auch Nikola Tesla experimentierte ab 1887 mit Kathodenstrahlröhren und erzeugte dabei Röntgenstrahlung, veröffentlichte seine Ergebnisse aber nicht. Es wird auch behauptet, dass die X-Strahlen von einem österreichischen Wissenschaftler ukrainischer Herkunft Johann Puluj schon im Jahr 1881 entdeckt wurden.

Da die genannten Wissenschaftler ihre Kenntnisse nicht bekanntgaben, wusste auch Röntgen nichts davon. Er hat die Röntgenstrahlung unabhängig entdeckt, als er fluoreszierendes Licht beim Betrieb der Kathodenstrahlröhre beobachtete. Röntgens Verdienst ist es, die Bedeutung der neuentdeckten Stahlen früh erkannt und diese als erster wissenschaftlich untersucht zu haben. Zu Röntgens Berühmtheit hat sicherlich auch die Röntgenaufnahme einer Hand seiner Frau beigetragen, die er in seiner ersten Veröffentlichung zur Röntgenstrahlung abbildete. Diese Berühmtheit trug ihm 1901 den ersten Nobelpreis für Physik ein, wobei das Nobelpreiskomitee die praktische Bedeutung der Entdeckung hervorhob. Röntgen nannte seine Entdeckung X-Strahlen.

Die Benennung Röntgenstrahlen geht auf den Anatomen Albert von Kölliker zurück, der dies am 23. Januar 1896 vorschlug. Anlass war der erste öffentliche Vortrag Röntgens über seine Entdeckung, der auf Einladung der Physikalisch-medizinischen Gesellschaft zu Würzburg erfolgte, deren Gründer Kölliker war. In manchen Sprachräumen blieb es beim von Röntgen selbst eingeführten Namen X-Strahlen (beispielsweise engl. X-rays).

Literatur

• Ch. R. Friedrich: 100 Jahre Röntgenstrahlen. Erster Nobelpreis für Physik. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik 26(11-12), S. 598 - 607 (1995), ISSN 0933-5137

• Karl Heinrich Lieser, Einführung in die Kernchemie, 3. Auflage S. 143 u.a

Quellen

1. ↑ H. Schober: Die Direktwahrnehmung von Röntgenstrahlung durch den menschlichen Gesichtssinn. Vision Research 4 (1964), S. 251-269
2. ↑ Röntgen-Gedächtnisstätte Würzburg

Verwandte Themen

• Die kurz nach den Röntgenstrahlen entdeckten N-Strahlen erwiesen sich als wissenschaftlicher Irrweg.
• Die Z-Maschine in New Mexico ist die derzeit stärkste Röntgenquelle der Welt.

Siehe auch

• Hochenergetische Röntgenstrahlung
• Röntgenastronomie
• Röntgenoptik