51° 11′ 37.90″ N, 7° 15′ 33.79″ E
Im Jahr 1895 entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen eine Strahlung, die wir heute als Röntgenstrahlung kennen. Sechs Jahre später brachte ihm diese Entdeckung den ersten Nobelpreis für Physik ein. Dies lag zum Teil sicher darin begründet, dass Röntgenstrahlen fast umgehend in der Medizin eingesetzt wurden. Innerhalb von zwei Monaten nach seiner Entdeckung veröffentlichte Röntgen einen Aufsatz mit dem Titel »Über eine neue Art von Strahlen«, in dem er seinen Durchbruch beschrieb und darüber spekulierte, dass diese neuen Strahlen in ihrer Zusammensetzung möglicherweise dem Licht ähneln.
Röntgen nutzte eine mit Barium-Platinzyanid beschichtete Pappe zum Nachweis der Röntgenstrahlen. Unter dem Einfluss von Radium fluoresziert Barium-Platinzyanid. Diese Technik wurde schon von anderen Wissenschaftlern, etwa den Curies (siehe Kapitel 15), verwendet, um das Vorhandensein von Strahlung bei radioaktiven Substanzen nachzuweisen. Röntgen entdeckte, dass eine mit Barium-Platinzyanid beschichtete Pappe fluoreszierte, auch wenn Sie mehrere Meter von der Röntgenstrahlquelle entfernt war.
Seine Röntgenstrahlquelle war eine Crookessche Röhre, die der britische Physiker William Crookes 20 Jahre zuvor erfunden hatte. Crookes nutzte diese Röhre (die aus einem luftleeren Glasrohr und zwei Metallelektroden besteht) zur Erforschung der »Kathodenstrahlen« (die wir heute Elektronen nennen). Die beschleunigten Elektronen erzeugten ein grünes Leuchten, wenn Sie auf das Glas am Ende der Röhre trafen.
Röntgen packte die Crookessche Röhre in schwarze Pappe und verhinderte so ein Entweichen von Licht (auch Ultraviolett- und Infrarotlicht). So konnte er die Absorption der Röntgenstrahlung durch diverse Materialien wie Papier, Sperrholz, Kupfer, Blei, Gold, Silber und seine eigene Hand messen. Er bezog sogar seine Frau mit ein, indem er ein Röntgenbild ihrer Hand anfertigte, komplett mit Ring am Finger (Abbildung 21.1).
Röntgens Leben und Forschung und die Auswirkungen der Röntgenstrahlung auf die medizinische Wissenschaft bis zum heutigen Tag sind im Röntgen-Museum seiner Heimatstadt Remscheid dokumentiert. Im Museum sind die von Röntgen verwendeten Originalgerätschaften, inklusive einer Sammlung von Röntgenröhren, ausgestellt. Auch die Nobelpreis-Medaille können Sie hier bewundern.
Das Museum ist nicht nur der Vergangenheit gewidmet. Es gibt eine Sammlung moderner Röntgenstrahl-Geräte, die die Entwicklung der Röntgenstrahltechnik zu medizinischen Zwecken veranschaulichen. Einige der Ausstellungsstücke sind recht groß. Trotz des beschränkten Raums umfasst die Sammlung auch Allzweck-Röntgengeräte und portable Röntgengeräte. Es gibt dentale Röntgengeräte und Geräte für die Mammografie. Das Museum besitzt auch CAT-Scanner, die eine Röntgenstrahlröhre um einen Teil des Körpers des Patienten bewegen, und Bilder eines Teils der Körpers erzeugen.
Röntgenstrahlen werden aber nicht nur in der Medizin, sondern auch in anderen wichtigen Anwendungsbereichen eingesetzt. Daher ist auch ihr Einsatz in der Röntgen-Kristallografie (die genutzt wurde, um die Form der DNA zu enträtseln, siehe Replikation), beim zerstörungsfreien Testen von Geräten, beim Screening von Personen und Gepäck im Rahmen von Sicherheitsmaßnahmen und bei der Untersuchung von Kunstwerken im Röntgen-Museum dokumentiert.
Details zum Museum finden Sie unter http://www.roentgen-museum.de/. Remscheid liegt etwa 40 Fahrminuten von Düsseldorf entfernt.
Bremsstrahlung und K-Schalen-Emission
Die Anwendung von Röntgenstrahlen ist allgemein bekannt: Wenn Sie einen menschlichen Körper mit Röntgenstrahlen beschießen, werden diese in unterschiedlichen Mengen von Gewebe und Knochen absorbiert. Das daraus resultierende Muster kann man sichtbar machen, indem man den Röntgenstrahlen eine fotoreaktive Platte in den Weg stellt. Die Strahlen wirken auf das Fotomaterial ähnlich wie Licht.
Anders verhält es sich mit der Erzeugung von Röntgenstrahlen. Hierzu gibt es zwei unterschiedliche Möglichkeiten, bei denen jeweils Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf ein Metall treffen. Die eine Methode, Bremsstrahlung, basiert auf der rapiden Abbremsung von Elektronen, und die andere, K-Schalen-Emission, auf der Kollision von zwei Elektronen.
Eine einfache Röntgenröhre (Abbildung 21.2) besteht aus einem erhitzten Glühfaden, K, der Elektronen über den thermionischen Effekt abgibt. Der Glühfaden ist sehr heiß und damit die durch die Hitze verursachte Vibration so hoch, dass Elektronen abgegeben werden, weil die Kräfte durch die sie an Ort und Stelle gehalten werden, schlichtweg überwunden werden. Die Elektronen werden in Richtung einer Anode, A, beschleunigt, die aus einem harten Metall wie Wolfram besteht.
Wenn die Elektronen auf die Anode treffen, wird ein Großteil ihrer Energie in Wärme umgewandelt. Aus diesem Grund besteht die Anode aus einem Material, dem hohe Temperaturen und häufiges Kühlen (etwa durch kaltes Wasser an der hinteren Seite) nichts anhaben können. Einige Elektronen verursachen Röntgenstrahlung durch Bremsstrahlung und andere durch K-Schalen-Emission.
Die Bremsstrahlung verursachenden Elektronen erzeugen Röntgenstrahlung, wenn sie vom elektrischen Feld, das die Atomkerne in der Wolfram-Anode umgibt, abgelenkt werden (siehe Abbildung 21.3). Die Elektronen werden durch ihre positive Ladung in Richtung Anode beschleunigt. Wenn Sie nahe genug an einen Wolfram-Kern herankommen, wird ihr Weg abgelenkt und sie verlieren Geschwindigkeit und damit Energie. Diese Energie verschwindet aber nicht einfach: Sie wird als Röntgenstrahlung abgegeben.
Einige Elektronen treffen aber tatsächlich andere Elektronen, die sich um die Wolfram-Kerne bewegen, und werfen Sie aus der Bahn. Röntgenstrahlen werden emittiert, wenn die ankommenden Elektronen die Elektronen aus der innersten Schale (der K-Schale) des Wolfram-Atoms abspalten. Elektronen einer äußeren Schale rutschen dann in die K-Schale.
Dadurch verlieren diese Elektronen Energie, und weil auch diese wieder erhalten bleibt, wird sie als sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung abgegeben. Die genaue Frequenz der charakteristischen Röntgenstrahlung kann man über die Atomzahl des für die Anode verwendeten Elements bestimmen. Diese Atomzahl oder auch Ordnungszahl ist für ein bestimmtes Element charakteristisch (ein Beispiel sehen Sie in Abbildung 21.4).
Abbildung 21.4 Wellenlänge der Röntgenstrahlen bei Bremsstrahlung und K-Schalen-Emission; zur Verfügung gestellt von HyperPhysics
Die durch K-Schalen-Emission erzeugten Röntgenstrahlen sind wesentlich stärker (besitzen eine höhere Energie) als die durch Bremsstrahlung entstandenen, treten aber nur bei zwei unterschiedlichen Frequenzen auf. Diese Frequenzen werden als Kα (wenn ein Elektron zum Füllen der Lücke in der K-Schale aus der Schale darüber stammt) und Kβ (wenn ein Elektron zum Füllen der Lücke aus zwei Schalen darüber stammt).
Die durch Bremsstrahlung erzeugten Röntgenstrahlen verfügen über ein kontinuierliches Spektrum an Wellenlängen, weil der Bremseffekt davon abhängt, wie nah ein Elektron einem Wolfram-Kern kommt.