Röntgenstrahlen

Die Energiebereiche von Gammastrahlung und Röntgenstrahlung überschneiden sich teilweise. Beide Strahlungsarten sind elektromagnetische Strahlung und bei gleicher Energie physikalisch identisch. Die Unterscheidung erfolgt hauptsächlich nach ihrer Entstehung:

• Röntgenstrahlung: entsteht überwiegend durch Elektronenprozesse außerhalb des Atomkerns
• Gammastrahlung: entsteht bei Übergängen im Atomkern

Röntgenphotonen besitzen typischerweise Energien von etwa 100 eV bis 250 keV. Dies entspricht Wellenlängen von etwa 1 nm bis 10 pm.

Man unterscheidet:

• weiche Röntgenstrahlung (niedrigere Energie, größere Wellenlänge)
• harte Röntgenstrahlung (höhere Energie, kleinere Wellenlänge)

Röntgenröhre

In der medizinischen Bildgebung wird Röntgenstrahlung hauptsächlich in einer Röntgenröhre erzeugt. Dabei werden Elektronen durch Thermoemission aus einer beheizten Kathode freigesetzt. Eine hohe elektrische Spannung zwischen Kathode und Anode beschleunigt die Elektronen im Vakuum auf hohe Geschwindigkeiten. Beim Auftreffen auf das Anodenmaterial werden die Elektronen stark abgebremst. Dabei wird ihre kinetische Energie überwiegend in Wärme und zu ca. 1 % in Röntgenstrahlung umgewandelt. Man unterscheidet zwei Arten der entstehenden Strahlung:

• Bremsstrahlung: Die schnelle Abbremsung der Elektronen im elektrischen Feld der Atomkerne führt zur Emission kontinuierlicher Strahlung, der sogenannten Bremsstrahlung. Sie bildet den größten Anteil der in der medizinischen Bildgebung verwendeten Röntgenstrahlung.
• Charakteristische Röntgenstrahlung: Werden Elektronen aus inneren Elektronenschalen eines Atoms herausgeschlagen, entstehen Elektronenlücken. Beim Auffüllen dieser Lücken durch Elektronen aus höheren Energieniveaus wird Energie in Form von charakteristischer Röntgenstrahlung abgegeben.

Die maximale Energie der erzeugten Röntgenphotonen wird durch die Röhrenspannung (kV) bestimmt, während die Intensität der Strahlung hauptsächlich vom Röhrenstrom (mA) abhängt.

Synchrotron

Röntgenstrahlung kann auch in Teilchenbeschleunigern entstehen. Wird ein hochenergetischer Elektronenstrahl durch starke Magnetfelder abgelenkt, entsteht sogenannte Synchrotronstrahlung, die auch Röntgenstrahlung enthalten kann. Solche Strahlungsquellen werden vor allem in der Materialwissenschaft und Strukturanalyse eingesetzt.

Röntgenstrahlen können Materie durchdringen, werden dabei jedoch – je nach Stoffart – unterschiedlich stark abgeschwächt. Diese unterschiedliche Abschwächung bildet die Grundlage der radiologischen Bildgebung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt mit zunehmender Weglänge im Material exponentiell ab.

Wichtige Wechselwirkungsprozesse sind:

• Photoeffekt: Die gesamte Energie eines Photons wird auf ein Elektron übertragen, das dadurch aus der Elektronenhülle eines Atoms herausgelöst wird. Dieser Prozess spielt vor allem bei niedrigeren Photonenergien und Materialien mit hoher Ordnungszahl eine Rolle.
• Compton-Streuung: Ein Photon wird an einem schwach gebundenen Elektron gestreut und gibt einen Teil seiner Energie ab. Dabei entsteht ein energiereicheres Elektron sowie ein Photon geringerer Energie.
• Elastische Streuung (Rayleigh-Streuung): Das Photon wird ohne Energieverlust gestreut.
• Paarbildung: Bei Photonenergien oberhalb von etwa 1,022 MeV kann im elektrischen Feld eines Atomkerns ein Elektron-Positron-Paar entstehen. Dieser Prozess spielt bei diagnostischer Röntgenstrahlung jedoch praktisch keine Rolle.

Biologische Wirkung

Röntgenstrahlen zählen zu den ionisierenden Strahlen und können deshalb biologische Gewebe schädigen. Durch Ionisation entstehen freie Radikale, die DNA-Schäden verursachen können. Mögliche Folgen sind:

• Zellschädigung
• Mutationen
• erhöhte Krebswahrscheinlichkeit

Diese Risiken begründen die Notwendigkeit eines konsequenten Strahlenschutzes.

Nachweis

Röntgenstrahlen können durch verschiedene physikalische Effekte nachgewiesen werden:

• Fluoreszenz: Anregung bestimmter Stoffe zur Lichtemission. Medizinische Röntgenfilme enthalten meistens eine fluoreszierende Folie, die bei Auftreffen eines Röntgenphotons Licht aussendet und die umliegende lichtempfindliche Fotoemulsion belichtet.
• photographischer Effekt: Schwärzung fotografischer Filme. Röntgenstrahlen können ebenso wie Licht fotografische Filme direkt schwärzen. Ohne eine fluoreszierende Folie wird allerdings eine ca. 10–20fach größere Intensität benötigt. Der Vorteil liegt in der größeren Schärfe des aufgenommenen Bildes.
• Ionisationsdetektoren (z.B. Zählrohr)
• Halbleiterdetektoren (z.B. Si(Li)-Detektor): Röntgenphotonen erzeugen Elektron-Loch-Paare in der intrinsischen Zone einer in Sperrrichtung betriebenen Diode. Dadurch wird ein kleiner Strom hervorgerufen.

Medizin

Die wichtigste Anwendung ist die Radiologie. Dabei wird ausgenutzt, dass verschiedene Gewebe Röntgenstrahlen unterschiedlich stark absorbieren. Typische Verfahren sind:

• Röntgen (Projektionsradiographie)
• Computertomographie (CT)
• Durchleuchtung
• Mammographie

Naturwissenschaften

In der Materialphysik, Chemie und Biochemie wird Röntgenstrahlung zur Untersuchung von Strukturen verwendet, z. B. bei der Röntgenkristallographie. Damit konnte unter anderem die Struktur der DNA aufgeklärt werden.

Zur Bestimmung der Elementzusammensetzung von Materialien wird die Röntgenfluoreszenzanalyse eingesetzt.

Auf der Erde entsteht Röntgenstrahlung in geringer Intensität durch Wechselwirkungen kosmischer Strahlung mit der Atmosphäre. Röntgenstrahlung aus astrophysikalischen Quellen erreicht die Erdoberfläche jedoch kaum, da sie weitgehend von der Atmosphäre absorbiert wird. Zur Beobachtung solcher Strahlung werden daher spezielle Röntgensatelliten eingesetzt.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlen wird meistens Wilhelm Conrad Röntgen zugeschrieben. Er war der erste, der die Entdeckung der von ihm X-Strahlen bezeichneten Strahlung in einer Veröffentlichung mit dem Titel "Über eine neue Art von Strahlen" bekannt gab. Das war am 28. Dezember 1895. Es gilt aber als sicher, dass schon andere vor ihm Röntgenstrahlen erzeugt haben. In 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 Philip 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 Röntgenstrahlen, veröffentlichte seine Ergebnisse aber nicht.

Da die genannten Wissenschaftler ihre Kenntnisse nicht bekanntgaben, wusste auch Röntgen nichts davon. Er hat die Röntgenstrahlen unabhängig entdeckt, als er fluoreszierendes Licht beim Betrieb der Kathodenstrahlröhre beobachtete. 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. Die "X-Strahlen" wurden später im deutschen Sprachraum (gegen Röntgens Willen) in Röntgenstrahlen umbenannt.