Röntgenstrahlung – Entdeckung und Eigenschaften

Hallo. Hast du schon einmal so ein Bild gesehen? Das ist eine Röntgenaufnahme von einem Arm, genauer gesagt von einem gebrochenen Arm. Hier scheint jemand einen schlimmen Unfall gehabt zu haben. Naja, für so eine Aufnahme braucht man jedenfalls Röntgenstrahlung und in diesem Video zeige ich dir, wie die Röntgenstrahlung entdeckt wurde und welche wichtigen Eigenschaften sie hat. Bei der Entdeckung kommen wir natürlich zunächst einmal auf den Namensgeber Wilhelm Röntgen zu sprechen. Dann besprechen wir die wichtigsten Eigenschaften der Strahlung und welche Bedeutung diese für Medizin und Technik hat. Fangen wir also mit dem Entdecker Wilhelm Conrad Röntgen an. Röntgen war ein deutscher Physiker und um 1900 Professor an der Universität Würzburg. Wie viele seiner Kollegen untersuchte er Phänomene, die bei der Leitung vom elektrischen Strom durch Gase bei sehr geringem Druck entstehen. Dafür verwendet er eine Kathodenstrahl- oder Entladungsröhre. Im Jahre 1895 machte Röntgen dabei zufällig eine Entdeckung. In der Nähe der Entladungsröhre befand sich Fluoreszenzfähiges Papier, das jedes Mal zu leuchten anfing, wenn man die Röhre einschaltete. Spannend war besonders, dass das Leuchten nicht nachließ, wenn man die Röhre mit dicker schwarzer Pappe abschirmte. Röntgen kam schnell zu dem Schluss, dass hierfür eine unbekannte, nicht sichtbare Strahlung der Grund sein müsse, die er geheimnisvollerweise X-Strahlen nannte. Er fand heraus, dass diese Strahlung menschliches Gewebe durchdringen und Fotoplatten schwärzen konnte. Dabei entstand auch diese erste Aufnahme der Hand seiner Frau, auf der man sogar den Ehering erkennen kann. Die Veröffentlichung seiner Forschungsergebnisse war ein riesen Knüller. Plötzlich konnte man in seinen eigenen Körper reinschauen. Wissenschaftler, Prominente und sogar der Deutsche Kaiser Wilhelm II waren begeistert. Für diese besondere Leistung erhielt Röntgen im Jahr 1901 den allerersten Nobelpreis für Physik. Die Strahlung wurde ihm zu Ehren Röntgenstrahlung getauft, obwohl er den Begriff X-Strahlung bevorzugte. Deshalb heißt die Strahlungen zum Beispiel im Englischen auch x-rays. Kommen wir als nächstes zur Frage, was diese Röntgenstrahlen eigentlich sind und welche Eigenschaften sie haben. Heute wissen wir, dass Röntgenstrahlen zum Spektrum der elektromagnetischen Strahlen zählen. Genauso wie sichtbares Licht oder Radiowellen sind Röntgenstrahlen elektromagnetische Wellen, die kein Trägermedium brauchen und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Allerdings haben Röntgenstrahlen viel kürzere Wellenlängen im Bereich von 10^-10 Metern. Umgekehrt bedeutet das, dass die Frequenz der Strahlung und somit auch ihre transportierte Energie sehr hoch ist. Je nach Entstehung kann die Energie der Röntgenphotonen bei 0,1 oder auch 200 Kilo Elektronenvolt (keV) liegen. Jedoch lässt sich auch Röntgenstrahlung ebenso wie Licht oder Radiowellen nicht durch ein elektrisches oder magnetisches Feld ablenken. Darüber hinaus hat Röntgenstrahlung zwei wichtige Eigenschaften. Die populärste Eigenschaft ist das Durchdringungsvermögen. Offensichtlich durchdringt die Strahlung Haut und Muskelgewebe, genauso wie Kleidung oder Papier. Diese Körper haben eine geringe Elektronendichte. Bei Knochen, Zähnen, Kunststoff und vor allem bei Metallen wie Blei, wird die Strahlung jedoch teilweise bis vollständig absorbiert. Diese Körper haben eine höhere Elektronendichte und die Röntgenstrahlung wird nach dem Absorptionsgesetz absorbiert. Das Absorptionsgesetz beschreibt die Intensität der Strahlung I in Abhängigkeit von der Materialdicke x. I₀ ist dabei die Ausgangsintensität und das µ ist die jeweilige Absorptionskonstante des Materials. Die zweite wichtige Eigenschaft ist das Ionisationsvermögen. Durch ihre hohe Energie hat Röntgenstrahlung die Fähigkeit, Materie zu ionisieren und fotografische Platten zu schwärzen. Die Ionisation ist auch der Grund, weshalb das Fluoreszenzpapier bei Wilhelm Röntgens Versuchen zu leuchten anfing. Ihre Eigenschaften machen die Röntgenstrahlung sehr bedeutsam für Medizin und Technik. Besonders in der Medizin wird die Kombination aus Durchdringungs- und Ionisationsvermögen für die Diagnostik genutzt. Die Schwärzung der Fotofilme geschieht heute meist in Verbindung mit fluoreszierender Folie und dient dazu, innere Verletzungen, Tumore oder vor allem Fremdkörper zu finden. Die Röntgenaufnahme dieser armen Katze zeigt zum Beispiel, dass sie eine Nähnadel verschluckt hat und dringend operiert werden muss. Bei der Röntgenuntersuchung müssen die Ärzte und meist auch die Patienten solche Bleischürzen tragen. Diese dienen zum Schutz, denn das hohe Ionisationsvermögen der Röntgenstrahlung kann sehr gefährlich sein. Eine zu starke oder falsche Bestrahlung kann das Gewebe schädigen und so Krebs oder Erbgutschäden verursachen. Das Blei in der Schürze hat eine hohe Elektronendichte und absorbiert den Großteil der Strahlung. Umgekehrt wird das Ionisationsvermögen jedoch genutzt, um vorhandene Krebszellen gezielt in einer Strahlentherapie abzutöten. In vielen technischen Bereichen werden die Struktur oder die Zusammensetzung von Stoffen analysiert. Das geschieht mithilfe der Röntgenbeugung oder der Röntgenfluoreszenzanalyse. Was wissen wir nun nun über Röntgenstrahlung? Sie wurde 1895 zufällig von Wilhelm Röntgen entdeckt, der seine Entdeckung X-Strahlen nannte. Die Strahlung ist Teil des elektromagnetischen Spektrums, wobei ihre Wellenlänge sehr kurz und ihre transportierte Energie sehr hoch ist. Sie lässt sich nicht durch ein elektrisches oder magnetisches Feld ablenken und durchdringt Materie mit geringer Elektronendichte. Und das Ionisationsvermögen der Röntgenstrahlung kann besonders für die medizinische Diagnostik sehr hilfreich sein. Dabei muss man sich jedoch mit Bleischürzen schützen, um Gewebeschäden zu vermeiden. So, jetzt hast du wieder einiges gelernt und bist diesem Kollegen hier vielleicht etwas voraus. Bis zum nächsten Mal. Tschüss.