Röntgenstrahlung

Schema einer Röntgenröhre:
K Kathode (Elektronenquelle)
A Anode (Elektronenziel)
X Röntgenstrahlung (X-Strahlung)
U_h Heizspannung
U_a Beschleunigungsspannung

Röntgenstrahlung bezeichnet elektromagnetische Wellen mit Photonenenergien zwischen 100 eV und einigen MeV, entsprechend Wellenlängen zwischen 10⁻⁸ m (10 Nanometer) und etwa 10⁻¹² m (1 Pikometer). Röntgenstrahlen liegen im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem ultravioletten Licht und der Gammastrahlung, mit der sie sich teilweise überschneiden. Die Röntgenstrahlung wurde am 8. November 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt und trägt ihren Namen im deutschsprachigen sowie fast im gesamten mittel- und osteuropäischen Raum zu seinen Ehren. In anderen Sprachräumen wird sie häufig mit dem von Röntgen ursprünglich selbst verwendeten Begriff X-Strahlen (englisch X-rays) bezeichnet. Röntgenstrahlung ist eine ionisierende Strahlung.

Einordnung im elektromagnetischen Spektrum

Das Spektrum der Röntgenstrahlung beginnt unterhalb der extremen UV-Strahlung bei einer Wellenlänge von 50 nm (weiche Röntgenstrahlung) und reicht bis weniger als 1 pm hinab (harte oder hochenergetische Röntgenstrahlung). Die Energiebereiche der Gamma- und Röntgenstrahlung überschneiden sich 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 eine Überlagerung eines kontinuierlichen mit einem diskreten Spektrum. Die Lage des Intensitätsmaximums hängt von der Betriebsspannung der Röhre ab. Die minimale Wellenlänge kann mit dem Duane-Hunt-Gesetz berechnet werden. Photonen aus Röntgenröhren 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

Feynman-Diagramm der Bremsstrahlungserzeugung (Zeit von links nach rechts)

Röntgenstrahlung kann durch zwei verschiedene Vorgänge entstehen:

durch starke Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Abbremsung oder Ablenkung von Elektronen) – das ist die Bremsstrahlung, deren Spektrum kontinuierlich ist,
und durch hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen. Das 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. Dabei 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 bestehen heute meist aus Keramik, wobei die Stellen, auf welche die Elektronen auftreffen, aus Molybdän, Kupfer oder Wolfram gefertigt sind.

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

Der Brechungsindex von Materie für Röntgenstrahlung weicht nur wenig von 1 ab. Das 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 wird dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der radiologischen Bilderzeugung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt nach dem Lambert-Beerschen Gesetz mit der im Material zurückgelegten Weglänge exponentiell ab ( $I=I_{0}\cdot e^{-\mu d}$ ), der Absorptionskoeffizient $\mu$ ist dabei materialabhängig und etwa proportional zu $Z^4 \lambda^3$ (: Ordnungszahl, $\lambda$ : Wellenlänge).

Die Absorption erfolgt durch Photoabsorption, Compton-Streuung und, bei hohen Photonenenergien, Paarbildung.

Bei der Photoabsorption schlägt das Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist je nach Elektronenschale eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses als Funktion der Photonenenergie steigt bei Erreichen der Mindestenergie abrupt auf einen hohen Wert an (Absorptionskante) und nimmt zu höheren Photonenenergien dann wieder kontinuierlich ab, bis zur nächsten Absorptionskante. Das "Loch" in der Elektronenhülle wird durch ein Elektron aus einer höheren Schale wieder 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.

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

Bei Energien oberhalb 2 m_ec² ≈ 1,022 MeV tritt außerdem Elektron-Positron-Paarbildung auf. Sie ist – abhängig vom Material – ab etwa 5 MeV der dominierende Absorptionsprozess.

Biologische Wirkung

Röntgenaufnahme der linken Hand eines 10-Jährigen mit sechs Fingern (Hexadaktylie)

Röntgenstrahlung ist ionisierend. Sie kann dadurch Veränderungen im lebenden Organismus hervorrufen und Schäden bis hin zu Krebs verursachen. Deshalb ist beim Umgang mit der Strahlung der Strahlenschutz zu beachten. Die Missachtung dieser Tatsache führte zum Beispiel bei Militärangehörigen, die in den 1950er bis zu den 1980er Jahren an mangelhaft abgeschirmten Radargeräten Dienst taten, zu Gesundheitsschäden durch die als Nebenprodukt erzeugte Röntgenstrahlung der Geräte.

Die empfindliche Struktur für die Entstehung von Krebs ist die Erbsubstanz (DNS). Dabei wird von einem linearen Anstieg der Schäden mit der Dosis ausgegangen, das heißt, auch eine sehr kleine Strahlendosis birgt ein von Null verschiedenes Risiko, Krebs hervorzurufen. Dieses Risiko ist jeweils abzuwägen gegen die Vorteile der medizinischen Diagnose oder Therapie 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- bis 20-fach höhere Intensität benötigt. Der Vorteil liegt in der größeren Schärfe des aufgenommenen Bildes.
Einzelne Röntgenphotonen werden mit Szintillationszählern oder Geigerzählern 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. 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 abgedunkelten 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.

Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1919 erstmals eine für das menschliche Auge sichtbare grau-weiße Strahlung an der Anode von Röntgenröhren, die nach ihm benannte „Lilienfeldstrahlung“. Ihr Ursprung konnte erst in späteren Jahren als Form der Übergangsstrahlung erklärt werden.

Anwendungen

Röntgenaufnahme einer Hüfte mit operativ implantierten Metallteilen

Röntgenspektrograf, mit dem William Lawrence Bragg Kristalle untersuchte

Mit Röntgenstrahlung kann der menschliche Körper durchleuchtet werden, wobei vor allem Knochen, aber bei modernen Geräten auch innere Organe sichtbar werden. Dabei wird 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. Man kann mit Röntgenstrahlen allerdings auch Krebs bekämpfen, indem man die Krebszellen, die i.A. strahlungsempfindlicher als das umgebende Gewebe sind, im Rahmen einer Strahlentherapie durch gezielte Bestrahlung schädigt.

Bis zur Entwicklung der ersten Antimykotika wurden auch Hautpilzerkrankungen durch Röntgenstrahlung behandelt.

In der Materialphysik, der Chemie, der Biochemie, der Kristallographie und in anderen Wissenschaften wird Beugung von Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung im weitesten Sinne benutzt, z.B. zur Untersuchung der Textur oder zur eigentlichen Kristallstrukturanalyse. 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, erreicht die Erdoberfläche nicht, weil sie durch die Atmosphäre abgeschirmt wird. Sie wird 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. Auf andere Weise entstehende elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung werden meist eher als Gammastrahlen bezeichnet.

Entdeckungsgeschichte

Wilhelm Conrad Röntgen, Entdecker der nach ihm benannten Strahlen

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.

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 fluoreszenzfähige Gegenstände nahe der Röhre während des Betriebs der Kathodenstrahlröhre beobachtete, die trotz einer Abdeckung der Röhre (mit schwarzer Pappe) hell zu leuchten begannen. Röntgens Verdienst ist es, die Bedeutung der neu entdeckten Strahlen 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 das 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 englisch X-rays).

Basierend auf einem Artikel in Wikipedia.de