Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) entdeckte am 08. November 1895 bei Experimenten mit schnellen Elektronen die, später nach ihm benannte, Röntgenstrahlung. Dafür erhielt er 1901 den Nobelpreis für Physik. Damit ist Prof. W.C. Röntgen der erste Träger des Nobelpreises für Physik.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung, die W.C. Röntgen selber als x-Strahlung bezeichnete, bereicherte die Medizin, um ein bis heute unentbehrliches Instrument der Diagnostik.

  • Medizin
  • zur Geschichte und historischen Röntgenröhren

Die Abbildung zeigt eine historische Röntgenröhre. Die Grafik soll den prinzipiellen Aufbau verdeutlichen.

historische Röntgenröhre

Die Röntgenröhre besteht im Wesentlichen aus einer beheizten Kathode und einer Anode. Beide sind in einem Glaskolben untergebracht. Im Glaskolben herrscht ein Vakuum.

Die durch Glühemission freigesetzten Elektronen werden im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt. Neu ist hier die Höhe der Beschleunigungsspannung. Während bei den bisherigen Versuchen (Elektronenstrahl-Ablenkröhre, e/m-Bestimmung, Elektronenröhre, …) die Beschleunigungsspannungen UB in Bereichen bis 500 V lagen, werden bei der Röntgenröhre in der Schule Beschleunigungsspannungen von 5 kV bis 35 kV verwendet. In der Industrie werden auch Beschleunigungsspannungen von einigen 100 kV genutzt.

Die beschleunigten Elektronen treffen auf die Anode. Dort treten zwei verschiedene Effekte auf.

  1. Bremsstrahlung
  2. charakteristische Strahlung

zu 1. Bremsstrahlung

Wenn das schnelle Elektron auf das Anodenmaterial trifft, dann wird es abgebremst. Das Anodenmaterial, ein Metall, hat eine Gitterstruktur. Wie stark das Elektron abgebremst wird, hängt davon ab, wie es auf ein Atom im Atomgitter trifft. Dabei kann das Elektron seine kinetische Energie in verschiedenen Portionen, oder auf einmal abgeben.

Wenn das Elektron seine kinetische Energie verliert, dann muss diese Energie nach dem Energieerhaltungssatz in andere Energieformen umgewandelt werden. Die beim Bremsvorgang abgegebene Energie wird in Wärmeenergie EQ und in Strahlungsenergie EPhot umgewandelt. 

Es gilt: {\large {{E}_{kin}}={{E}_{Q}}+{{E}_{Phot}}}

Die kinetische Energie der Elektronen wird durch die Beschleunigungsspannung UB bestimmt. Dabei wurde elektrische Energie in kinetische Energie umgewandelt.

{\large \begin{array}{l}{{E}_{kin}}\,=\,{{E}_{el}}\\\frac{1}{2}m{{v}^{2}}=e\cdot U\end{array}}

Es wird deutlich, dass die maximale Energie der Röntgenstrahlung von der Beschleunigungsspannung abhängig ist.

{\large {{E}_{Phot}}\le e\cdot U}

Die Bremsstrahlung sieht bei jedem Anodenmaterial ähnlich aus. Wegen {E=h\cdot f\,\,und\,\,f\,=\,c/\lambda }     E=h·f und f=c/l, wird ein Photon mit einer bestimmten Wellenlänge erzeugt. Wird die größtmögliche Energie übertragen, entsteht die kleinstmögliche Wellenlänge. Dieser kleinste Wert der Wellenlänge ist die kurzwellige Grenze des Spektrums.

zu 2. charakteristische Strahlung

Einige der beschleunigten Elektronen (A) können in das Atom eindringen. Dabei schlagen sie Elektronen (B) aus einer kernnahen Schale heraus. Diese Elektronen hinterlassen ein sogenanntes „Loch“. Dieses Loch wird von einem Elektron (C) einer kernferneren Schale aufgefüllt. Energetisch fällt das Elektron dabei von einem höheren, auf ein niedrigeres Energieniveau. Die freiwerdende Energie wird in Form von Strahlung abgegeben (Kα Kß Lα). Die Differenz zwischen den Energieniveaus ist dabei so groß, dass Röntgenstrahlung emittiert wird.

Die Energieniveaus in einem Atom sind materialspezifisch. Die Frequenz der emittierten Strahlung ist charakteristisch für das Anodenmaterial. 

Eigenschaften der Röntgenstrahlung

Welche Eigenschaften machen Röntgenstrahlen so besonders?

  1. Durchdringung

Röntgenstrahlen können Materie durchdringen. In Abhängigkeit vom Material, werden die Strahlen unterschiedlich stark absorbiert. Diese Eigenschaft nutzt man u.a. in der Medizin zur Diagnostik.

  1. Ionisation

Röntgenstrahlen sind sehr energiereich. Wenn sie auf Atome treffen, dann können sie diese ionisieren.

Die ionisierende Wirkung der Röntgenstrahlung kann in einem einfachen Experiment nachgewiesen werden. Dazu wird ein Röntgengerät ein Kondensatorplattenpaar gebracht. Die Kondensatorplatten werden über einen hochohmigen Widerstand (ca. 10 ) an eine Spannungsquelle angeschlossen. Da der Widerstand der Luftstrecke zwischen den Kondensatorplatten (Abstand ca. 5 cm) quasi unendlich ist, ist kein Stromfluss zu beobachten. Jetzt wird die Beschleunigungsspannung an der Röntgenröhre von 0 V an langsam erhöht. Ab ca. 5 kV ist ein leichter Stromfluss zu beobachten, der bei einer weiteren Erhöhung der Beschleunigungsspannung deutlich zunimmt.

Skizze des Aufbaus

Was ist passiert?

Trockene Luft ist ein hervorragender Isolator. Damit ein Strom fließen kann, müssen freie Ladungsträger vorhanden sein. Die Ladungsträger müssen entweder von außen zwischen die Platten gebracht werden, oder sie müssen zwischen den Platten gewonnen werden.

Wenn die Röntgenstrahlung auf die Moleküle der Luft trifft, dann werden Elektronen aus den Atomen herausgelöst. Einzelne Atome werden ionisiert. Es bleiben positive Atomrümpfe und Elektronen zurück. Sowohl die Elektronen, als auch die positiven Ionen werden im Feld zwischen den Kondensatorplatten beschleunigt. Es kann ein Strom fließen.

Die hohe Energie der Röntgenstrahlung bedingt eine hohe Frequenz bzw. eine kleine Wellenlänge. Die Wellenlängen von Röntgenstrahlen liegen im Pikometer (1 pm) Bereich.

Die Röntgenstrahlung ionisiert die Luftmoleküle

Wenn Röntgenstrahlung auf körpereigene Zellen trifft, dann werden diese ionisiert. In einem geringen Maße ist das aber kaum von Bedeutung.

Bei einer Thorax Aufnahme (Röntgenbild der Lunge) erfahren wir eine zusätzliche Strahlenbelastung von ca. 0,1 mSv. Im Vergleich dazu, erfahren wir durch die natürliche kosmische Strahlung eine Belastung von ca. 3 mSv/a. Das heißt, dass eine Thorax Aufnahme ca. 1/30 der Strahlenbelastung ausmacht, die wir im Jahr durch die allein durch kosmische Strahlung erfahren.

Bei einem Langstreckenflug ist die zusätzliche Strahlenexposition in etwa genauso groß, wie bei einer Thorax Aufnahme.

Bei der Mammographie liegt die Strahlenexposition bei ca. 0,5 mSv.

Bei einer Computertomographie, dem sogenannten CT, erfahren wir deutlich höhere Strahlenexpositionen. Diese liegen bei ca. 15 mSv. Das liegt daran, dass in mehreren Schichten diverse Röntgenbilder angefertigt werden, um später ein räumliches Bild, der zu untersuchenden Stellen anfertigen zu können.  

Sollten wir also auf Röntgenaufnahmen verzichten?

Die heutigen Geräte sind so empfindlich, dass sie die Strahlenexposition sehr gering halten. Bis in die 60-iger Jahre des 20. Jahrhunderts, befanden sich in vielen Schuhgeschäften Röntgengeräte, in die man seine Füße stellte und so die Passform der Schuhe überprüfen konnte. Gerade Kinder haben diese Geräte geliebt. Diese Art von Strahlenexposition ist nicht erforderlich und sollte vermieden werden.

Diagnostische Röntgenaufnahmen dienen aber unserer Gesundheit. Sie sind erforderlich, um die Ursachen von Krankheiten zu erkennen. In der Vorsorge dienen sie dazu, Krankheiten bereits in einem  Frühstadium begegnen zu können. Hier liegt es in der Verantwortung des Radiologen, den Nutzen gegen die Risiken abzuwiegen und auf dieser Basis zu entscheiden.

Röntgenstrahlen in der Medizin

Das Röntgenbild zeigt eine Thorax-Aufnahme. Die Lunge und die davor liegenden Rippen sind gut zu erkennen. Da die Rippen eine höhere Dichte als die Lunge haben, werden diese im Röntgenbild heller dargestellt. Die luftgefüllte Lunge absorbiert weniger Röntgenstrahlen.

Im unteren Teil ist der (rechts dargestellte) Lungenflügel heller. Dort befindet sich das Herz.

Auf dem Röntgenbild sind zwei Ring-Piercings zu erkennen. Diese bestehen vermutlich aus Titan, Silber oder Chirurgenstahl. Diese Metalle haben eine so hohe Dichte, dass sie die Röntgenstrahlung weitgehend absorbieren. 

Das Röntgenbild zeigt Ober- und Unterkiefer. Dabei ist zu erkennen, dass die Zähne weitgehend gesund sind. Der Patient hat keine Implantate.

Rechts und links im Unterkiefer ist zu erkennen, dass die Weisheitszähne angelegt sind. Sie befinden sich aber noch unter dem Zahnfleisch.

Das Röntgenbild zeigt den doppelt gebrochenen Unterarm eines Patienten. Es ist zu erkennen, dass die Elle (Radialis) und die Speiche (Ulnaris) gebrochen sind.

Das Röntgenbild zeigt eine chirurgisch versorgte Fraktur. Hier wurde nach einem Splitterbruch eine Titanplatte mit 6 Schrauben eingesetzt. Diese ermöglicht, dass die Knochen in der richtigen Stellung wieder zusammenwachsen.  

Die Platte und die Schrauben, die vermutlich aus Titan bestehen, absorbieren die Röntgenstrahlung weitgehend. Daher ist das Bild an diesen Stellen kaum belichtet worden.

zur Geschichte der Röntgenstrahlung

… in Arbeit …