Röntgenstrahlen helfen in der Medizin Knochenbrüche zu identifizieren und Krebs in der Strahlentherapie zu heilen. Doch um was genau handelt es sich bei dieser Strahlungsart, wie entstehen Röntgenstrahlen und welche Eigenschaften haben sie?
Röntgenstrahlung Erfinder und Entdeckung
Am Abend des 8. Novembers 1895 experimentierte der Physiker Wilhelm Konrad Röntgen mit einer Kathodenstrahlröhre. Dabei bemerkte er zufällig etwas Eigenartiges. Ein Stück Papier, das mit einer fluoreszierenden Substanz bestrichen war, begann auf einmal zu leuchten.
Bei einer Kathodenstrahlröhre handelt es sich um eine Apparatur, die gebündelte Elektronenstrahlen in einem Glaskolben erzeugen kann. Alles zur Fluoreszenz findest Du in der gleichnamigen Erklärung.
Fluoreszenz kommt nur zustande, wenn die Substanz vorher durch hochenergetische Strahlung angeregt wurde. In seinem abgedunkelten Büro konnte nur die Kathodenstrahlröhre als Quelle infrage kommen.
Zufällig musste Wilhelm Röntgen also eine unbekannte Strahlung erzeugt haben, die den Glaskolben der Röhre durchdringen und Fluoreszenz hervorrufen konnte. Er nannte diese mysteriöse Strahlung X-Strahlung, wobei das X symbolisieren soll, dass es sich um eine noch unbekannte Strahlungsart handelt.
Wilhelm Konrad Röntgen gilt heute als Entdecker der nach ihm benannten Röntgenstrahlung. Er war auch der Erste, der diese Strahlung physikalisch erforschte.
Röntgenstrahlung Physik
Die Entdeckung der Röntgenstrahlung ist inzwischen über 125 Jahre her. Seitdem wurde diese Strahlung in der Physik immer weiter erforscht und findet heute in verschiedensten Bereichen Anwendung. Doch was genau ist eigentlich Röntgenstrahlung?
Röntgenstrahlung Eigenschaften – Frequenz und Spektrum
Röntgenstrahlung ist ein Teil des elektromagnetischen Spektrums, genau wie sichtbares Licht oder Gammastrahlung. Die verschiedenen Strahlungsarten des elektromagnetischen Spektrums werden durch ihre Energie und Frequenz charakterisiert.
Bei der Röntgenstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung (Photonen) mit einer Energie zwischen \(100 \, eV\) und \(250 \, keV\). Die Frequenz von Röntgenstrahlung liegt in einem Bereich von \(3 \cdot 10^{16} Hz\) bis \(3 \cdot 10^{19} Hz\). Röntgenstrahlen gehören zu den ionisierenden Strahlungsarten und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
Strahlungsarten, die genügend Energie besitzen, um Elektronen aus Atomen oder Molekülen zu lösen (Ionisation), bezeichnest Du als ionisierende Strahlung. Mehr dazu findest Du in der gleichnamigen Erklärung.
Den Frequenzbereich von Röntgenstrahlung innerhalb des elektromagnetischen Spektrums nennst Du auch Röntgenspektrum. Je höher die Frequenz, desto höher ist die Energie der Röntgenstrahlung und damit auch die Ionisationsfähigkeit.
Der Zusammenhang zwischen Energie \(E\), Frequenz \(f\) und Wellenlänge \(\lambda\) von elektromagnetischer Strahlung berechnest Du über die folgende Formel:
$$E = h \cdot f = \frac{c \cdot h}{\lambda}$$
Dabei steht \(h\) für das plancksche Wirkungsquantum und \(c\) für die Lichtgeschwindigkeit, mit der sich alle elektromagnetische Strahlung fortbewegt.
Gleichzeitig bedeutet eine höhere Frequenz also auch eine kleinere Wellenlänge.
Röntgenstrahlung grenzt am unteren Frequenzbereich an UV-Licht und überschneidet sich teilweise mit dem Spektrum von Gammastrahlung, welches bei einer Energie von etwa 200 keV beginnt. Deshalb werden die beiden Strahlungsarten auch anhand ihrer Entstehung unterschieden.
Röntgenstrahlung Entstehung
Gammastrahlung entsteht überwiegend durch den sogenannten Gammazerfall innerhalb eines Atomkerns. Dagegen entsteht Röntgenstrahlung außerhalb des Atomkerns.
Alles Wichtige zur Gammastrahlung findest Du in der gleichnamigen Erklärung. Dort wird auch ihre Entstehung durch den Gammaübergang einfach erklärt.
Dabei kannst Du zwei Arten von Röntgenstrahlung aufgrund ihrer Entstehung unterscheiden: Bremsstrahlung und charakteristische Strahlung. Beide werden zur Erzeugung von Röntgenstrahlung in einer sogenannten Röntgenröhre genutzt.
Bremsstrahlung
Bewegt sich ein Teilchen, etwa ein Elektron, besitzt es aufgrund seiner Geschwindigkeit kinetische Energie (Bewegungsenergie). Wird dieses Elektron nun abgebremst, gibt es seine Energie (zum Teil) in Form von elektromagnetischer Strahlung ab.
Als Bremsstrahlung bezeichnest Du die elektromagnetische Strahlung, die beim Abbremsen von Teilchen freigesetzt wird. Bremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Spektrum.
Alles zu den unterschiedlichen Spektren elektromagnetischer Strahlung findest Du zum Beispiel in der Erklärung zum Farbspektrum.
Teilchen können zum Beispiel durch magnetische Felder oder an Metallplatten abgebremst werden. Negativ geladene Teilchen, wie das Elektron, werden häufig an einem positiv geladenen Atomkern abgebremst.
Die emittierte elektromagnetische Strahlung besitzt – je nach Geschwindigkeit und Stärke der Abbremsung – verschiedene Frequenzen, weshalb das Spektrum von Bremsstrahlung kontinuierlich ist. Etwa 1% der Bremsstrahlung liegt im Frequenzbereich der Röntgenstrahlung.
Charakteristische Röntgenstrahlung
Elektronen in einem Atom besitzen gewisse (diskrete) Energieniveaus. Durch die Absorption (Aufnahme) von Photonen können sie auf ein höheres Energieniveau wechseln. Dieser Zustand ist allerdings instabil, sodass sie schnell in ihren ursprünglichen Zustand (den Grundzustand) zurückkehren. Dabei emittieren sie die Energiedifferenz zwischen den Energieniveaus in Form eines Photons.
Mehr dazu kannst Du in der Erklärung atomarer Energieaustausch lesen.
Das emittierte Photon ist die charakteristische Röntgenstrahlung.
Unter charakteristischer Röntgenstrahlung verstehst Du Photonen im Frequenzbereich des Röntgenspektrums, die bei dem Wechsel des Energieniveaus von Elektronen entstehen.
Diese Photonen erzeugen ein Linienspektrum, welches Du auch als charakteristisches Spektrum bezeichnest. Daher stammt auch der Name der charakteristischen Röntgenstrahlung.
Beide Entstehungsarten von Röntgenstrahlung finden bei der Erzeugung in einer Röntgenröhre Anwendung.
Röntgenröhre Aufbau und Funktionsweise
Prinzipiell besteht der Aufbau einer Röntgenröhre aus zwei Kernbestandteilen: einer Anode und einer Glühkathode. Diese sind von einem vakuumierten Glaskolben umgeben und durch eine Spannungsquelle, die sogenannte Beschleunigungsspannung \(U_{B}\), verbunden.
Die Kathode besteht aus einem Glühdraht, an dem eine sogenannte Heizspannung \(U_{H}\) angeschlossen ist. Über diese Spannungsquelle wird den Elektronen im Glühdraht Energie in Form von Wärme zugeführt. Dadurch können sie den Glühdraht verlassen.
Bei der Anode handelt es sich um eine positiv geladene Metallplatte, von der die negativ geladenen Elektronen aus dem Glühdraht angezogen werden. Dabei werden die Elektronen durch die Spannung zwischen Anode und Kathode stark beschleunigt.
Abschließend treffen sie mit hoher Geschwindigkeit auf die Metallplatte. Bei der Kollision werden sie abgebremst und emittieren ihre kinetische Energie zum Teil in Form von Bremsstrahlung.
Ein Teil der kinetischen Energie wird auch an die Elektronen in den Atomen der Anode abgegeben. Diese gelangen dabei auf ein höheres Energieniveau. Bei der Rückkehr in ihren Grundzustand emittieren die Elektronen der Anode charakteristische Strahlung. Röntgenröhren werden in verschiedenen Anwendungsgebieten zur Erzeugung von Röntgenstrahlung eingesetzt.
Röntgenstrahlung Anwendung
Röntgenstrahlung dient in der Materialwissenschaft zur Untersuchung von Stoffen auf ihre Textur und Bestandteile. Am Flughafen wird sie außerdem häufig zur Kontrolle Koffern oder Rucksäcken auf gefährliche Inhalte eingesetzt.
Das bekannteste Beispiel für den Einsatz von Röntgenstrahlung ist wahrscheinlich die Medizin. Röntgenstrahlung kann in der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs eingesetzt werden.
Vor allem aber wird Röntgenstrahlung bei der Untersuchung von Knochen bei Verdacht auf eine Fraktur (Knochenbruch) oder auch in der Zahnmedizin angewandt. Dabei entstehen die charakteristischen Röntgenbilder. Doch wie funktioniert das eigentlich?
Röntgenbild Entstehung
Bei einer Röntgenuntersuchung wird der Körper zwischen einem Röntgengerät und einem Schirm platziert. Die Röntgenröhre in dem Gerät erzeugt Röntgenstrahlung, die nach dem Einschalten auf den zu untersuchenden Körperbereich fällt.
Dabei wird diese Röntgenstrahlung von verschiedenen Gewebearten unterschiedlich stark absorbiert. Knochen sind etwa dichter und absorbieren mehr Röntgenstrahlung als zum Beispiel Haut oder Knochen. Je weniger Strahlung auf dem Schirm ankommt, desto heller wird die Region dargestellt. Das Röntgenbild ergibt sich anschließend aus einer Aufnahme des Schirms.
Doch welche Auswirkungen hat Röntgenstrahlung auf den menschlichen Körper?
Röntgenstrahlung schädlich
Genau wie andere ionisierende Strahlung kann auch Röntgenstrahlung in hohen Dosen schädlich sein. Röntgenstrahlung kann lebendes Gewebe durchdringen und wird teilweise von diesem absorbiert. Trifft sie dabei allerdings auf die DNA im Zellkern, kann Röntgenstrahlung schwere Schäden anrichten. Diese Schäden können das Risiko für Krebs steigern.
Mehr dazu findest Du in der Erklärung biologische Strahlenwirkung.
Deshalb sollte eine empfohlene Anzahl an Röntgenuntersuchungen pro Jahr nicht überschritten werden. Darüber hinaus verfügt der Körper über zahlreiche Reparaturmechanismen für mögliche Schäden an der DNA.
Röntgenstrahlung – Das Wichtigste
- Die Röntgenstrahlung wurde 1895 von dem Physiker Wilhelm Konrad Röntgen entdeckt.
- Bei der Röntgenstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung (Photonen) mit einer Energie zwischen \(100 \, eV\) und \(250 \, keV\).
- Die Frequenz von Röntgenstrahlung liegt in einem Bereich von \(3 \cdot 10^{16} Hz\) bis \(3 \cdot 10^{19} Hz\).
- Röntgenstrahlen gehören zu den ionisierenden Strahlungsarten und bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit.
- Der Zusammenhang zwischen Energie \(E\), Frequenz \(f\) und Wellenlänge \(\lambda\) von elektromagnetischer Strahlung berechnest Du über die folgende Formel oder mit der Lichtgeschwindigkeit \(c\) und dem planckschen Wirkungsquantum \(h\):
$$E = h \cdot f = \frac{c \cdot h}{\lambda}$$
Röntgenstrahlung tritt als Bremsstrahlung oder als charakteristische Strahlung auf.
Als Bremsstrahlung bezeichnest Du die elektromagnetische Strahlung, die beim Abbremsen von Teilchen freigesetzt wird. Bremsstrahlung besitzt ein kontinuierliches Spektrum.
Unter charakteristischer Röntgenstrahlung verstehst Du Photonen im Frequenzbereich des Röntgenspektrums, die bei dem Wechsel des Energieniveaus von Elektronen entstehen.
Eine Röntgenröhre besteht aus einer Glühkathode und einer Anode, umgeben von einem Glaskolben und verbunden durch eine Beschleunigungsspannung.
Durch die Erhitzung der Glühkathode in der Röntgenröhre treten Elektronen aus, die Richtung Anode beschleunigt werden. Dort erzeugen sie Bremsstrahlung und charakteristische Röntgenstrahlung.
Röntgenstrahlung wird in der Materialkunde, der Flugzeugkontrolle und der Medizin angewendet.
Nachweise
- medizinphysik.wiki: Röntgenröhre. (16.09.2022)
- stiftung-gesundheitswissen.de: Röntgen: Wie es funktioniert und worauf man achten sollte. (16.09.2022)
- radiation-dosimetry.org: Was ist Röntgenspektrum. (16.09.2022)
Erklärungen 
Magazine 
