1.

Einleitung

Röntgenstrahlung, kurzwellige, energiereiche elektromagnetische Strahlung, die Materie durchdringende Wirkung hat. Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung ist kürzer als die von sichtbarem Licht: Der Bereich reicht von 100 Nanometer (1 Nanometer entspricht 1 milliardstel Meter) bis zu 0,01 Pikometer (1 Pikometer entspricht 1 billionstel Meter). Im oberen Bereich grenzt die Röntgenstrahlung an die kurzwellige ultraviolette Strahlung und im unteren Bereich an die Gammastrahlung an.

1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen diese Strahlung bei Experimenten mit Gasentladungsröhren – er untersuchte dabei Kathodenstrahlen. Er gab dieser unsichtbaren Strahlung wegen ihrer noch unbekannten Natur den Namen „X-Strahlung”. Röntgen beschrieb die Eigenschaften der später nach ihm benannten Strahlung sehr genau und erhielt 1901 für seine Arbeiten den ersten Nobelpreis für Physik.

2.

Natur der Röntgenstrahlung

Je kürzer die Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung ist, desto größer sind Energie und Durchdringungskraft. Im Falle der Röntgenstrahlung spricht man daher bei größeren Wellenlängen nahe des ultravioletten Strahlungsbandes des Spektrums von weichen, entsprechend bei kürzeren Wellenlängen am unteren Rand des Bereichs der Gammastrahlen von harten Röntgenstrahlen (siehe Radioaktivität). Insgesamt teilt man die Röntgenstrahlung in sechs große Bereiche ein – Röntgen-UV, überweiche, weiche, mittelharte, harte sowie überharte Röntgenstrahlung. Ein Gemisch von Röntgenstrahlen mit vielen verschiedenen Wellenlängen bezeichnet man als weiße Röntgenstrahlung; dagegen enthält z. B. monochromatische Röntgenstrahlung nur eine einzige Wellenlänge. Monochromatische Strahlung lässt sich aus weißem Röntgenlicht gewinnen, das dazu durch einen speziellen Filter geleitet wird.

Allgemein wird Röntgenstrahlung wie sichtbares Licht durch Elektronenübergänge zwischen den Elektronenschalen eines Atoms erzeugt. Im Fall der so genannten Bremsstrahlung – das ist im Prinzip weiße Röntgenstrahlung – entstehen die Strahlen, wenn schnelle Teilchen (meist Elektronen) auf Materie (ein „Target”) treffen und dort scharf abgebremst werden. Bei diesem Vorgang gelangt ein Teilchen durch seine hohe Energie zwischen die Elektronen der inneren Schalen und dem Atomkern eines Materie-Atoms. Das schnelle Teilchen wird durch das dort herrschende elektrische Feld (Kernfeld) abgelenkt, wobei diese Ablenkung mit der Emission von elektromagnetischer Strahlung verbunden ist. Die Energie der frei werdenden Strahlung ist vom Betrag genau so groß wie der Energieverlust, den die Teilchen bei der Abbremsung und Ablenkung erfahren – daher die Bezeichnung Bremsstrahlung. Die Intensität der Strahlung ist umso größer, je stärker das Kernfeld ist. Siehe auch Atom

Im Gegensatz zur Bremsstrahlung steht die so genannte charakteristische Eigenstrahlung (auch Sekundärstrahlung). Sie entsteht, wenn beispielsweise ein schnelles Teilchen ein Elektron aus einer inneren Schale herausschlägt und ein anderes Elektron aus einer äußeren Schale den frei gewordenen Platz auf der inneren Schale einnimmt. Der Betrag der Strahlungsenergie entspricht der Energiedifferenz zwischen den beiden Schalen, wobei diese Differenz nur ganz bestimmte Werte annehmen kann – es sind nur bestimmte Übergänge möglich. Diese Werte sind für jede Atomstruktur und damit für jedes Material charakteristisch – deshalb die Bezeichnung charakteristische Strahlung. Diese Strahlung lässt sich u. a. für bestimmte Untersuchungsmethoden nutzen.

3.

Erzeugung

Die Erzeugung von Röntgenstrahlung gelingt beispielsweise mit Hilfe einer Röntgenröhre. Dabei handelt es sich um eine hoch evakuierte Vakuumröhre, bei der die Elektronen aus einer Glühkathode heraustreten. Anschließend werden die Elektronen in einem elektrischen Feld beschleunigt und treffen danach auf die Anode. Bei der Coolidge-Röhre – benannt nach ihrem amerikanischen Erfinder William David Coolidge – besteht die Glühkathode aus Wolfram. Die Anode ist meistens ebenfalls aus Wolfram hergestellt, kann aber auch aus Molybdän oder Tantal gebaut sein. Man kennt sowohl Röntgenröhren mit feststehender als auch mit drehbarer Anode (Drehanode). Weil beim Auftreffen der Elektronen auf das Anodenmaterial der größte Teil der kinetischen Energie der Elektronen in Wärme übergeht, muss die Anode gekühlt werden. Bei der Drehanode erreicht man dies durch Rotation der Anode (bis zu 8 500 Umdrehungen pro Minute).

4.

Eigenschaften der Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlen durchdringen Materie scheinbar mühelos. Aber ob und wie stark das Material durchdrungen wird, hängt entscheidend von seiner Dichte und den Atomsorten ab, aus denen es zusammengesetzt ist. So durchdringen die Strahlen z. B. bei einer medizinischen Röntgenaufnahme das umgebende Gewebe viel leichter als die Knochen – deshalb erscheinen diese auf einem photographischen Film heller als das Gewebe. Allgemein nimmt beim Durchdringen von Materie die Strahlungsintensität mit der Dicke stark ab. Als Maß für diese Eigenschaft dient die so genannte Halbwertsdicke. Sie gibt praktisch die Wegstrecke durch das Material an, bei der die anfängliche Intensität auf die Hälfte zurückgegangen ist.

Röntgenstrahlen haben eine sehr hohe ionisierende Wirkung (siehe Ionisierung) und können am lebenden Gewebe Verbrennungen und biologische Veränderungen (siehe biologische Strahlungswirkung) hervorrufen. Ihre dabei schädigende Wirkung wird u. a. durch die Dauer der Einwirkung, die Stärke (Dosis) und die Art (harte oder weiche Röntgenstrahlung) bestimmt. Aus diesem Grund wird der Umgang und die Arbeit mit Röntgenstrahlen in Deutschland durch Strahlenschutzverordnungen (z. B. Röntgenverordnung) festgelegt und geregelt. Röntgenstrahlen lassen sich beispielsweise mit Hilfe von Geiger-Müller-Zählern (siehe Teilchendetektoren) nachweisen.

1.

Fluoreszenz

Röntgenstrahlung ruft in bestimmten Materialien wie z. B. den Farbstoff Fluorescein sowie einige Salze des Lanthans Fluoreszenz hervor. Dabei handelt es sich um eine besondere Form der Lumineszenz – also das Leuchten bestimmter Substanzen nach Energiezufuhr durch Röntgenstrahlung. Ersetzt man den photographischen Film durch einen Schirm, der mit fluoreszierenden Materialien beschichtet ist, kann die Gestalt der undurchdringbaren Substanzen direkt auf dem Schirm betrachtet werden. Diese Technik nutzt man z. B. bei der Röntgendurchleuchtung. Siehe Fluoroskop

2.

Röntgenbeugung

Röntgenstrahlen können durch Streuung am hochregulären Gitter eines Kristalls gebeugt werden, das aufgrund seiner kleinen Atomabstände wie ein fein strukturiertes Beugungsgitter wirkt (siehe Interferenz). Die entstehenden Interferenzmuster lassen sich mit Hilfe von Computern und entsprechender Software auswerten (s. u. Anwendungen).

5.

Röntgenstreuung

Röntgenstrahlung kann über unterschiedliche Mechanismen bei der Wechselwirkung mit Materie abgelenkt werden. Die daraus resultierende (sich ergebende) Streuung der Strahlen hängt von der Art und Weise ab, wie die Röntgenquanten (siehe Quantentheorie) mit den Elektronen der Atome wechselwirken:

1.

Rayleigh-Streuung

Die Rayleigh-Streuung tritt auf, wenn die Wellenlänge der Röntgenstrahlen sich nach der Wechselwirkung mit den Atomen (bzw. den inneren Elektronen) nicht ändert. Mit anderen Worten ausgedrückt, ändert sich die Energie der Röntgenquanten (oder Photonen) nicht, und die Atome gehen nicht in einen angeregten Zustand über und werden auch nicht ionisiert (siehe Ion). Diese Streuung wurde nach dem britischen Physiker Lord Rayleigh benannt, wird aber in manchen Fällen auch als klassische Streuung bezeichnet.

2.

Compton-Streuung

Bei der Compton-Streuung – benannt nach dem amerikanischen Physiker Arthur Holly Compton – geht ein Teil der Energie des Röntgenquants auf das frei werdende Elektron über. Bei dem Zusammenstoß zwischen dem Röntgenquant und dem Elektron werden beide Teilchen unter einem bestimmten Winkel zur Einfallsrichtung des Quants abgelenkt. Das einfallende Photon überträgt einen Teil seiner Energie auf das Elektron und geht folglich mit einer größeren Wellenlänge aus dieser Stoßbegegnung heraus. Diesen Effekt, nämlich die Vergrößerung der Wellenlänge eines Photons durch die Streuung an Elektronen, bezeichnet man in der Physik auch als Compton-Effekt. Mit Hilfe der Compton-Streuung war es erstmals möglich, die Gültigkeit des Energie- und Impulserhaltungssatzes für Elementarvorgänge experimentell zu belegen. Die Compton-Streuung tritt auch bei der Streuung von Photonen an anderen geladenen Teilchen wie z. B. Protonen oder p-Mesonen auf.

3.

Photoeffekt und Paarbildung

Bei der Wellenlängenänderung von Röntgenstrahlen durch Wechselwirkung mit Materie können zusätzlich Photoeffekte und die so genannte Paarbildung den Betrag der Änderung mit beeinflussen. Von einem Photoeffekt spricht man im Allgemeinen dann, wenn der Platz des herausgeschlagenen Elektrons aus der inneren Schale durch ein anderes Elektron aus der äußeren Schale besetzt wird, wobei durch diesen Prozess eine charakteristische Röntgenstrahlung (s. o. charakteristische Strahlung) ausgesendet wird.

Die Paarbildung (auch Paarbildungseffekt) kann ebenfalls bei der Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlung und Materie entstehen. Bei diesem Phänomen bildet sich durch den Zusammenstoß des Photons mit einem geladenen Teilchen ein Elektron und dessen Antiteilchen, ein Positron. Der Paarbildungseffekt ist ein Beispiel für die Umwandlung reiner Energie in Materie mit endlicher Masse. Um allein für die Masse des Elektron-Positron-Paares aufzukommen, muss das Photon eine Mindestenergie von 1,22 Megaelektronevolt haben; trägt es mehr Energie, als es für die Paarbildung benötigt, geht seine Restenergie als kinetische Energie zu gleichen Teilen an das erzeugte Teilchenpaar über, wobei die Teilchen sich voneinander entfernen. Natürlich existieren Elektron und Positron nicht lange nebeneinander. Sie bilden ein so genanntes Positronium, das instabil ist und zerfällt. Bei diesem Zerfall wird eine zusätzliche Streustrahlung frei.

6.

Anwendungen der Röntgenstrahlung

In der Forschung, Technik und Medizin gibt es für Röntgenstrahlen viele Anwendungsmöglichkeiten. So nutzt man Röntgenstrahlen beispielsweise in der Röntgenographie zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen. Die oben erwähnte Röntgenbeugung dient z. B. zur Strukturbestimmung von Kristallen neuer, im Labor hergestellter chemischer Verbindungen. Nahezu jedes Element liefert bei der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen ein charakteristisches Spektrum (s. o. charakteristische Strahlung). Auf diesem Phänomen beruhend sind eine ganze Reihe von spektroskopischer Untersuchungsmethoden sowie Geräte entwickelt worden, wie z. B. die Röntgenemissions-, Röntgenabsorptions- und Röntgenfluoreszenzspektroskopie. Letztere nutzt man u. a. bei der Herstellung von Beton zur Kontrolle der Zusammensetzung des Endprodukts. Die Röntgendiagnostik ist in der heutigen Medizin zu einer alltäglichen Untersuchungsmethode geworden. Bekannt sind hier die Durchleuchtung (z. B. bei Verdacht auf Tuberkulose), die Röntgenphotographie und die Computertomographie (siehe Radiologie). Röntgenstrahlen setzt man außerdem in der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs ein.