Röntgenstrahlung - Entstehung, Eigenschaften, Anwendungen

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung

1895 entdeckte der Würzburger Physiker WILHELM CONRAD RÖNTGEN (1845-1923) eine neue Art von Strahlung, die er als X-Strahlen bezeichnete und die wir heute als Röntgenstrahlen kennen. In englischsprachigen Ländern ist die Bezeichnung X-rays üblich. Innerhalb kürzester Zeit erforschte RÖNTGEN die wichtigsten Eigenschaften dieser neuen Art von Strahlung. Nach der Veröffentlichung seiner Entdeckung wurde RÖNTGEN sehr schnell einer der berühmtesten Physiker seiner Zeit. Er erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik. Ausführliche Hinweise zu seiner Entdeckung sind in seiner Biografie auf der CD zu finden.

Röntgenstrahlung und ihre Entstehung

Röntgenstrahlung besteht aus sehr energiereichen elektromagnetischen Wellen, deren Frequenz in etwa zwischen $3\cdot {10 }^{16}\text{Hz und 3}\cdot {10}^{\text{21}}\text{Hz}$
liegt. Sie entsteht, wenn Elektronen hoher kinetischer Energie schlagartig abgebremst werden oder ihre Bewegungsrichtung ändern. Darüber hinaus entstehen Röntgenlinien, ähnlich wie beim Linienspektrum im sichtbaren Bereich des Lichtes, in den Hüllen der Atome. Während die Entstehung des Lichtes aber in den äußeren Gebieten der Atomhülle vonstatten geht, erfolgt die Bildung von Röntgenstrahlen in den inneren Schalen der Atomhüllen von chemischen Elementen hoher Ordnungszahlen im Periodensystem. Dazu ist es erforderlich, dass zuvor ein Elektron aus einer solchen Atomschale entfernt wird. Dies erfolgt nur bei extrem hohen Temperaturen durch den Zusammenstoß von Atomen oder wenn man das betreffende Atom von außen mit anderen Teilchen - z. B. Elektronen - beschießt. Daher gehen unter Normalbedingungen von den Atomen keine Röntgenwellen aus.
Technisch werden Röntgenstrahlen meist in speziellen Röntgenröhren erzeugt. Da die Röntgenstrahlung in diesen Röhren durch die Abbremsung von schnellen Elektronen an der Anode gebildet wird, nennt man die solcherart gewonnene Röntgenstrahlung auch Bremsstrahlung.

Die Bremsstrahlung besitzt einen charakteristischen Intensitätsverlauf. Die obere Grenze mit der entsprechenden Grenzfrequenz ergibt sich dadurch, dass im Extremfall die gesamte Energie eines beschleunigten Elektrons auf ein einziges Röntgen-Photon übertragen wird. Die maximale Photonenenergie beträgt dann $e\cdot U_B$. Daraus ergibt sich die Grenzfrequenz und die Grenzwellenlänge für Röntgenstrahlen:

$\begin{array}{l}{E}_{\max }=e\cdot U_B=h\cdot f_G=h\cdot \frac{c}{{\lambda }_G}\\ e\text{Elementarladung}\\ U_B\text{Beschleunigungsspannung}\\ h\text{plansches Wirkungsquantum}\\ f\text{Grenzfrequenz}\\ c\text{Lichtgeschwindigkeit}\\ {\lambda }_G\text{Grenzwellenlänge}\end{array}$

Neben dem kontinuierlichen Spektrum, auch Bremsspektrum genannt, tritt ein zusätzliches Linienspektrum auf, das man als charakteristisches Spektrum bezeichnet.
Das Bremsspektrum kommt zustande, weil die auf die Anode auftreffenden Elektronen beim Eindringen in die Atomhülle abgebremst werden und einen Teil ihrer Energie in Form elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Frequenz abgeben. Die Entstehung des charakteristischen Spektrums ist folgendermaßen zu erklären: Aufgrund ihrer großen kinetischen Energie dringen Elektronen bis in die Nähe des Atomkerns vor und heben kernnahe, fest gebundene Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Auf die freien Plätze können schwach gebundene Elektronen nachrücken. Dabei wird Energie frei, die in Form von Röntgenquanten abgegeben wird und die für das jeweilige Anodenmaterial charakteristisch ist. Daher rührt auch die Bezeichnung charakteristisches Spektrum.

Eigenschaften von Röntgenstrahlung

Röntgenstrahlung hat einige charakteristische Eigenschaften, die für die Anwendung von Bedeutung sind:

Anwendung von Röntgenstrahlung

Aus den Eigenschaften von Röntgenstrahlen ergeben sich die wichtigsten Anwendungsbereiche.
In der Röntgendiagnostik werden Röntgenstrahlen dazu genutzt, um Körperteile zu untersuchen. Der betreffende Körperteil wird zwischen eine Röntgenröhre und einen Röntgenfilm gebracht und durchstrahlt. Aufgrund des unterschiedlichen Absorptionsvermögens werden z.B. Knochen deutlich abgebildet (Bild 3). Organe wie Magen oder Darm können mithilfe von Röntgenkonstrastmitteln abgebildet werden. In der Röntgendiagnostik wird mit Beschleunigungsspannungen von 50 kV bis 150 kV und möglichst kurzen Belichtungszeiten gearbeitet. Trotzdem ist jede Röntgenuntersuchung mit einer gewissen Strahlenbelastung verbunden. Besonders empfindliche Körperteile, z.B. die Keimdrüsen, sollten durch Bleiabschirmungen besonders geschützt werden.
In der Röntgentherapie verwendet man sogenannte harte Röntgenstrahlung. Das ist kurzwellige Röntgenstrahlung, die bei Beschleunigungsspannungen zwischen 200 kV und 300 kV entsteht und entsprechend energiereich ist. Solche energiereiche Röntgenstrahlung wird genutzt, um Tumorzellen abzutöten. Dabei wird die Erkenntnis angewendet, dass krankes Gewebe eine höhere Strahlungsempfindlichkeit hat als gesundes Gewebe. Durch zusätzliche Medikamente kann diese Empfindlichkeit weiter erhöht werden.
Bei der Werkstoffprüfung oder Materialprüfung nutzt man die hohe Durchdringungsfähigkeit von Röntgenstrahlung. Es kann damit z.B. die Qualität von Schweißnähten geprüft werden. Bei massiven Werkstücken kann man Einschlüsse oder andere Materialfehler feststellen. Auch hier ist zu beachten, dass beim Umgang mit Röntgenstrahlung die gesetzlichen Vorgaben zur Strahlensicherheit einzuhalten sind.
Für ionisierende Strahlung, zu der die Röntgenstrahlung neben der Gammastrahlung gehört, gilt: Die durchschnittliche Strahlenbelastung durch medizinische Anwendungen beträgt in Deutschland im Durchschnitt 2,0 Millisievert je Jahr (mS/a). Der Grenzwert liegt für Personen, die mit ionisierender Strahlung arbeiten, bei 50 mSv/a.