Röntgenstrahlung

Grundlagen und Einordnung

Röntgenstrahlung oder Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit Quantenenergien oberhalb etwa 100 eV, entsprechend Wellenlängen unter etwa 10 nm. Sie liegen im elektromagnetischen Spektrum oberhalb des ultravioletten Lichts. Röntgenstrahlung ist ionisierende Strahlung: Sie kann Atome oder Moleküle ionisieren und dadurch chemische und biologische Veränderungen auslösen.

Von Gammastrahlung unterscheidet sich Röntgenstrahlung nicht durch ihre Wirkung bei gleicher Energie, sondern durch ihre Entstehung. Gammastrahlung besteht aus Photonen, die bei Kernreaktionen oder radioaktiven Zerfällen entstehen. Röntgenstrahlung entsteht dagegen durch Geschwindigkeitsänderungen geladener Teilchen oder durch energiereiche Übergänge in Elektronenhüllen.

Das Spektrum beginnt unterhalb der extremen UV-Strahlung bei einer Wellenlänge um 10 nm, also bei überweicher Röntgenstrahlung, und reicht bis unter 5 pm, also zu überharter oder hochenergetischer Röntgenstrahlung. Die Energiebereiche von Gamma- und Röntgenstrahlung überschneiden sich weit. Photonen aus Röntgenröhren haben typischerweise Energien von etwa 1 keV bis 250 keV, entsprechend Frequenzen von etwa 0,25·10^18 Hz bis 60·10^18 Hz. Das in Röntgenröhren erzeugte Spektrum ist eine Überlagerung eines kontinuierlichen Spektrums und eines diskreten Linienspektrums. Die minimale Wellenlänge kann mit dem Duane-Hunt-Gesetz berechnet werden.

Entstehung und Quellen

Röntgenstrahlung entsteht vor allem auf zwei Arten. Erstens entsteht Bremsstrahlung, wenn geladene Teilchen, meist Elektronen, stark beschleunigt, abgebremst oder abgelenkt werden. Ihr Spektrum ist kontinuierlich. Zweitens entsteht charakteristische Röntgenstrahlung bei energiereichen Übergängen in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen. Dabei entsteht ein Linienspektrum, das für das Material typisch ist.

In einer Röntgenröhre werden Elektronen von einer Glühwendel, der Kathode, freigesetzt, durch ein elektrisches Feld beschleunigt und an einer metallischen Anode abgebremst. Dabei wird nur etwa 1 % der kinetischen Energie der Elektronen in Röntgenstrahlung umgewandelt; der Rest wird zu Wärme und muss an der Anode abgeführt werden. Zusätzlich schlagen Elektronenstöße Elektronen aus niedrigen Energieniveaus der Metallatome heraus. Wenn Elektronen aus höheren Niveaus in diese Lücken zurückfallen, entsteht charakteristische Röntgenstrahlung. Anoden bestehen heute meist aus Keramik, die Auftreffstellen aus Metallen wie Molybdän, Kupfer oder Wolfram.

Auch Teilchenbeschleuniger können Röntgenstrahlung erzeugen. Wird ein Elektronenstrahl in starken Magnetfeldern abgelenkt, entsteht Synchrotronstrahlung, eine Form der Bremsstrahlung. Mit Undulatoren, also periodischen Anordnungen starker Magnete, kann an Synchrotronanlagen auch monoenergetische Röntgenstrahlung erzeugt werden. Röntgen-Bremsstrahlung entsteht außerdem oft unerwünscht in technischen Geräten wie Elektronenmikroskopen, Elektronenstrahlschweißgeräten, bestimmten Radar-Leistungsstufen und früheren Farbfernsehgeräten mit Kathodenstrahlröhren.

Bei der Abbremsung schneller positiver Ionen in Materie entsteht ebenfalls charakteristische Röntgenstrahlung. Dies wird bei der teilcheninduzierten oder protoneninduzierten Röntgenemission, kurz PIXE, zur chemischen Analyse genutzt. Natürliche Röntgenstrahlung von Himmelskörpern erreicht die Erdoberfläche nicht, weil die Atmosphäre sie abschirmt. Sie wird deshalb mit Röntgensatelliten wie Chandra und XMM-Newton untersucht. Auf der Erde entsteht Röntgenstrahlung in geringer Intensität bei der Absorption anderer Strahlungsarten aus radioaktivem Zerfall und Höhenstrahlung sowie in Blitzen.

Wechselwirkung mit Materie und Nachweis

Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen, wird dabei aber je nach Stoff unterschiedlich stark geschwächt. Diese unterschiedliche Schwächung ist die Grundlage vieler Röntgenbilder. Die Intensität nimmt nach dem Lambert-Beerschen Gesetz mit der im Material zurückgelegten Weglänge d exponentiell ab: I = I0 · e^(-μd). Der Absorptionskoeffizient μ ist materialabhängig und ungefähr proportional zu Z^4λ^3, wobei Z die Ordnungszahl und λ die Wellenlänge ist.

Die wichtigsten Prozesse bei der Absorption sind Photoabsorption, Compton-Streuung und bei hohen Photonenenergien Paarbildung. Bei der Photoabsorption schlägt ein Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist je nach Schale eine Mindestenergie nötig; an einer Absorptionskante steigt die Wahrscheinlichkeit plötzlich stark an. Wenn die Lücke wieder aufgefüllt wird, entsteht niederenergetische Fluoreszenzstrahlung. Bei der Compton-Streuung wird ein Röntgenphoton an ungebundenen oder schwach gebundenen Elektronen gestreut. Dabei vergrößert sich seine Wellenlänge abhängig vom Streuwinkel, und es verliert Energie. Photoabsorption und Compton-Streuung sind inelastische Prozesse. Daneben gibt es elastische Streuung, etwa Thomson- und Rayleigh-Streuung, bei der das Photon seine Energie behält. Oberhalb von 2me c^2 ≈ 1,022 MeV kann Elektron-Positron-Paarbildung auftreten; ab etwa 5 MeV ist sie je nach Material der dominierende Absorptionsprozess.

Röntgenstrahlung kann durch mehrere Effekte nachgewiesen werden. Beim Lumineszenzeffekt regt sie bestimmte Stoffe zur Lichtabgabe, also Fluoreszenz, an. Medizinische Röntgenfilme nutzen häufig eine fluoreszierende Folie, die bei Auftreffen eines Röntgenphotons Licht aussendet und dadurch die Fotoemulsion belichtet. Röntgenstrahlen können fotografische Filme auch direkt schwärzen, dafür ist ohne fluoreszierende Folie aber eine etwa 10- bis 20-fach höhere Intensität nötig. Einzelne Photonen lassen sich mit Szintillationszählern oder Geigerzählern nachweisen. In Halbleiterdetektoren erzeugen Röntgenphotonen Elektron-Loch-Paare; daraus entsteht ein kleiner Strom, dessen Stärke proportional zur Energie und Intensität der einfallenden Strahlung ist.

Biologische Wirkung und Sicherheit

Röntgenstrahlung ist ionisierend und kann deshalb Veränderungen in lebenden Organismen hervorrufen. Schäden können bis zur Entstehung von Krebs reichen. Deshalb muss beim Umgang mit Röntgenstrahlung Strahlenschutz beachtet werden.

In der Frühzeit der Radiologie waren die Gefahren noch nicht ausreichend bekannt, sodass Ärzte und Forscher erkrankten oder starben. Auch später kam es zu Gesundheitsschäden, zum Beispiel bei Militärangehörigen, die zwischen den 1950er und 1980er Jahren an mangelhaft abgeschirmten Radargeräten arbeiteten, die als Nebenprodukt Röntgenstrahlung abgaben.

Für die Entstehung von Krebs gilt die Erbsubstanz, die DNS, als empfindliche Struktur. Der Artikel beschreibt, dass von einem linearen Anstieg der Schäden mit der Dosis ausgegangen wird. Das bedeutet: Auch eine sehr kleine Strahlendosis hat ein von Null verschiedenes Risiko, Krebs auszulösen. In Medizin und Technik muss dieses Risiko gegen den Nutzen einer Diagnose oder Therapie mit Röntgenstrahlung abgewogen werden.

Anwendungen in Medizin, Wissenschaft und Technik

Röntgenstrahlung wird genutzt, weil sie Materie durchdringen kann und verschiedene Stoffe unterschiedlich stark schwächt. Im Sicherheitsbereich ist sie zum Beispiel bei der Kontrolle von Gepäck an Flughäfen etabliert.

In der Medizin dient Röntgenstrahlung vor allem der bildgebenden Diagnostik bei Menschen und in der Tiermedizin. Knochen sind besonders gut sichtbar, weil das darin enthaltene Calcium mit Z = 20 dichter und stärker absorbierend ist als weiche Gewebe, deren Hauptbestandteile Wasserstoff (Z = 1), Kohlenstoff (Z = 6), Stickstoff (Z = 7) und Sauerstoff (Z = 8) sind. Moderne Geräte können auch innere Organe sichtbar machen. Kontrastmittel mit Iod (Z = 53) oder Barium (Z = 56) erhöhen den Kontrast. Neben zweidimensionalen Projektionen werden Computertomographen eingesetzt, die eine räumliche Rekonstruktion des Körperinneren ermöglichen.

In der Zahnmedizin dienen Röntgenaufnahmen dazu, krankhafte Veränderungen an Zähnen und Kieferknochen zu erkennen, etwa Parodontitis, Implantate zu planen oder zu überprüfen und Zähne zu identifizieren, bei denen eine Wurzelkanalbehandlung nötig ist. Therapeutisch kann Röntgenstrahlung Krebszellen im Rahmen einer Strahlentherapie gezielt schädigen. Außerdem wird niedrig dosierte Strahlentherapie bei gutartigen schmerzhaften Erkrankungen des Bewegungsapparates und bei bestimmten postoperativen Problemen eingesetzt, unter anderem bei Formen von Arthrose, Epicondylitis, Schultersteife, Bursitis und Morbus Dupuytren.

In Physik, Chemie, Biochemie, Kristallographie und Materialwissenschaft wird die Beugung von Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung genutzt, etwa zur Untersuchung von Texturen und Kristallstrukturen. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung der DNA. Mit Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) kann die elementare Zusammensetzung einer Probe und auch chemische Bindung untersucht werden. In der Werkstoffprüfung dient Röntgenstrahlung bei der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) dazu, die Elementzusammensetzung eines Stoffes zu bestimmen.

Entdeckung und Besonderheiten der Wahrnehmung

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die Strahlung am 8. November 1895 am Physikalischen Institut der Julius-Maximilians-Universität Würzburg. Bereits am 28. Dezember 1895 reichte er seine Arbeit „Über eine neue Art von Strahlen“ ein. Er beobachtete, dass fluoreszenzfähige Gegenstände nahe einer abgedeckten Kathodenstrahlröhre hell zu leuchten begannen. Zwar hatten frühere Forscher mit Röhren gearbeitet, in denen Röntgenstrahlung entstand, doch Röntgens Leistung bestand darin, die Bedeutung der Strahlen zu erkennen und sie systematisch zu untersuchen. 1901 erhielt er den ersten Nobelpreis für Physik.

Die Bezeichnung „Röntgenstrahlen“ wurde im deutschen Sprachraum gebräuchlich; in vielen anderen Sprachen blieb Röntgens Ausdruck X-Strahlen erhalten. Der Name „Röntgen’sche Strahlen“ wurde am 23. Januar 1896 von Albert von Kölliker vorgeschlagen. Die Natur der Röntgenstrahlung als elektromagnetische Wellen wurde 1912 durch Max von Laue bewiesen.

Das menschliche Auge kann Röntgenstrahlung unter bestimmten Umständen teilweise wahrnehmen. Schon kurz nach Röntgens Entdeckung berichtete Brandes von einem schwachen blau-grauen Schein, der im Auge selbst zu entstehen schien, wenn er sich in einem abgedunkelten Raum nahe einer Röntgenröhre befand. Röntgen gab später an, diesen Effekt ebenfalls beobachtet zu haben. Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1919 eine sichtbare grau-weiße Strahlung an der Anode von Röntgenröhren, die später als Form der Übergangsstrahlung erklärt wurde.