Röntgenstrahlen sind eine Art von elektromagnetischer Strahlung, die wahrscheinlich am bekanntesten für ihre Fähigkeit ist, durch die Haut eines Menschen hindurchzusehen und Bilder der darunter liegenden Knochen zu zeigen. Fortschritte in der Technologie haben zu stärkeren und fokussierteren Röntgenstrahlen sowie zu immer mehr Anwendungen dieser Lichtwellen geführt, von der Abbildung winziger biologischer Zellen und struktureller Komponenten von Materialien wie Zement bis hin zur Abtötung von Krebszellen.

Röntgenstrahlen werden grob in weiche Röntgenstrahlen und harte Röntgenstrahlen unterteilt. Weiche Röntgenstrahlen haben eine relativ kurze Wellenlänge von etwa 10 Nanometern (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters) und fallen damit in den Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen ultraviolettem (UV) Licht und Gammastrahlen. Harte Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge von etwa 100 Pikometern (ein Pikometer ist ein Billionstel Meter). Diese elektromagnetischen Wellen befinden sich im gleichen Bereich des EM-Spektrums wie die Gammastrahlen. Der einzige Unterschied zwischen ihnen ist ihre Quelle: Röntgenstrahlen werden durch die Beschleunigung von Elektronen erzeugt, während Gammastrahlen von Atomkernen in einer von vier Kernreaktionen erzeugt werden.

Geschichte der Röntgenstrahlen

Die Röntgenstrahlen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röentgen, einem Professor der Universität Würzburg, entdeckt. Laut der „History of Radiography“ des Nondestructive Resource Center bemerkte Röentgen, dass Kristalle in der Nähe einer Hochspannungs-Kathodenstrahlröhre ein fluoreszierendes Leuchten zeigten, selbst wenn er sie mit dunklem Papier abschirmte. Die Röhre erzeugte eine Art von Energie, die das Papier durchdrang und die Kristalle zum Leuchten brachte. Röentgen nannte die unbekannte Energie „Röntgenstrahlung“. Experimente zeigten, dass diese Strahlung zwar Weichteilgewebe, nicht aber Knochen durchdringen konnte und Schattenbilder auf fotografischen Platten erzeugte.

Für diese Entdeckung erhielt Röentgen 1901 den allerersten Nobelpreis für Physik.

Röntgenquellen und -effekte

Röntgenstrahlen können auf der Erde erzeugt werden, indem man einen hochenergetischen Elektronenstrahl auf ein Atom wie Kupfer oder Gallium schickt, so Kelly Gaffney, Direktor der Stanford Synchrotron Radiation Lightsource. Wenn der Strahl auf das Atom trifft, werden die Elektronen in der inneren Schale, der so genannten s-Schale, durcheinander gebracht und manchmal aus ihrer Umlaufbahn geschleudert. Ohne dieses Elektron oder diese Elektronen wird das Atom instabil, und damit sich das Atom „entspannen“ oder ins Gleichgewicht zurückkehren kann, so Gaffney, fällt ein Elektron in der so genannten 1p-Schale hinein, um die Lücke zu füllen. The result? Ein Röntgenstrahl wird freigesetzt.

„Das Problem dabei ist, dass die Fluoreszenz in alle Richtungen geht“, so Gaffney gegenüber Live Science. „Sie sind nicht richtbar und nicht fokussierbar. Es ist nicht sehr einfach, eine hochenergetische, helle Röntgenstrahlungsquelle zu schaffen.“

Ein Synchrotron ist eine Art Teilchenbeschleuniger, der geladene Teilchen wie Elektronen auf einer geschlossenen, kreisförmigen Bahn beschleunigt. Die grundlegende Physik besagt, dass jedes Mal, wenn man ein geladenes Teilchen beschleunigt, es Licht abgibt. Die Art des Lichts hängt von der Energie der Elektronen (oder anderer geladener Teilchen) und dem Magnetfeld ab, das sie um den Kreis herum treibt, so Gaffney.

Da die Synchrotron-Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, geben sie enorme Mengen an Energie ab, insbesondere Röntgenenergie. Und zwar nicht irgendwelche Röntgenstrahlen, sondern einen sehr starken Strahl gebündelten Röntgenlichts.

Synchrotronstrahlung wurde nach Angaben der European Synchrotron Radiation Facility zum ersten Mal 1947 bei General Electric in den Vereinigten Staaten beobachtet. Diese Strahlung wurde zunächst als störend empfunden, weil die Teilchen dadurch an Energie verloren, aber in den 1960er Jahren wurde sie als Licht mit außergewöhnlichen Eigenschaften erkannt, das die Unzulänglichkeiten der Röntgenröhren überwand. Ein interessantes Merkmal der Synchrotronstrahlung ist, dass sie polarisiert ist, d. h. die elektrischen und magnetischen Felder der Photonen schwingen alle in dieselbe Richtung, die entweder linear oder zirkular sein kann.

„Da die Elektronen relativistisch sind, wird das Licht, wenn sie es aussenden, in die Vorwärtsrichtung fokussiert“, so Gaffney. „

Röntgenstrahlung

Dank ihrer Fähigkeit, bestimmte Materialien zu durchdringen, werden Röntgenstrahlen für verschiedene Anwendungen der zerstörungsfreien Bewertung und Prüfung verwendet, insbesondere zur Erkennung von Fehlern oder Rissen in Bauteilen. Dem NDT Resource Center zufolge „wird die Strahlung durch ein Teil hindurch auf einen Film oder einen anderen Detektor gerichtet. Das resultierende Schattenbild zeigt die inneren Merkmale“ und ob das Teil in Ordnung ist. Dies ist die gleiche Technik, die in Arzt- und Zahnarztpraxen zur Erstellung von Röntgenbildern von Knochen bzw. Zähnen verwendet wird.

Röntgenstrahlen sind auch für die Sicherheitskontrollen von Fracht, Gepäck und Passagieren im Transportwesen unerlässlich. Elektronische Bildgebungsdetektoren ermöglichen eine Echtzeit-Visualisierung des Inhalts von Paketen und anderen Passagierstücken.

Die ursprüngliche Verwendung von Röntgenstrahlen war die Darstellung von Knochen, die auf dem damals verfügbaren Film leicht von Weichteilen zu unterscheiden waren. Genauere Fokussierungssysteme und empfindlichere Erkennungsmethoden, wie z. B. verbesserte fotografische Filme und elektronische Bildsensoren, haben es jedoch möglich gemacht, immer feinere Details und subtile Unterschiede in der Gewebedichte zu erkennen, während gleichzeitig viel niedrigere Belichtungsstufen verwendet werden.

Darüber hinaus kombiniert die Computertomografie (CT) mehrere Röntgenbilder zu einem 3D-Modell einer Region von Interesse.

Nach Angaben des Helmholtz-Zentrums für Materialien und Energie kann die Synchrotron-Tomographie ähnlich wie die CT dreidimensionale Bilder von inneren Strukturen von Objekten wie technischen Bauteilen liefern.

Röntgentherapie

Die Strahlentherapie nutzt hochenergetische Strahlung, um Krebszellen durch Schädigung ihrer DNA abzutöten. Da die Behandlung auch normale Zellen schädigen kann, empfiehlt das National Cancer Institute, die Behandlung sorgfältig zu planen, um die Nebenwirkungen zu minimieren.

Nach Angaben der US-Umweltschutzbehörde (Environmental Protection Agency) wird durch die so genannte ionisierende Strahlung von Röntgenstrahlen ein bestimmter Bereich mit so viel Energie bestrahlt, dass den Atomen und Molekülen die Elektronen vollständig entzogen werden, wodurch sich ihre Eigenschaften verändern. In ausreichenden Dosen kann dies Zellen schädigen oder zerstören. Diese Zellschädigung kann zwar Krebs verursachen, aber auch bekämpft werden. Indem Röntgenstrahlen auf Krebstumore gerichtet werden, können diese abnormen Zellen zerstört werden.

Röntgenastronomie

Nach Robert Patterson, Professor für Astronomie an der Missouri State University, gehören enge Doppelsternsysteme mit schwarzen Löchern oder Neutronensternen zu den himmlischen Quellen von Röntgenstrahlen. In diesen Systemen kann der massereichere und kompaktere Sternüberrest Material von seinem Begleitstern abstreifen und eine Scheibe aus extrem heißem, Röntgenstrahlen aussendendem Gas bilden, während er sich nach innen dreht. Darüber hinaus können supermassereiche Schwarze Löcher in den Zentren von Spiralgalaxien Röntgenstrahlen aussenden, wenn sie Sterne und Gaswolken absorbieren, die in ihren Gravitationsbereich fallen.

Röntgenteleskope nutzen Reflexionen mit geringem Winkel, um diese hochenergetischen Photonen (Licht) zu bündeln, die sonst durch normale Teleskopspiegel hindurchgehen würden. Da die Erdatmosphäre die meisten Röntgenstrahlen blockiert, werden Beobachtungen normalerweise mit Höhenballons oder Teleskopen in der Umlaufbahn durchgeführt.

Zusätzliche Ressourcen