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Röntgenstrahlung und ihre Eigenschaften

Die Röntgenstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung mit hohem Durchdringungsvermögen.

Wozu Röntgenstrahlung?

Sicherlich hast du schon einmal ein Röntgenbild eines Körperteils gesehen. Darauf sieht man jeglichen Knochen und alle Fremdkörper im Körper sehr hell weiß, während das weiche Gewebe höchstens einen schwachen Grauschleier erzeugt. So kann man gut erkennen, ob ein Knochen gebrochen ist, sich ein Fremdkörper im Körper befindet oder ob es Hohlräume innerhalb deiner Zähne gibt. Schon sehr praktisch in einen Körper hineinschauen zu können, ohne ihn zu öffnen.

Geschichte der Röntgenstrahlung

Wilhelm Conrad Röntgen machte am 8. November 1895 ein Experiment mit einer lichtundurchlässig abgedeckten Kathodenstrahlröhre. Dabei fing ein in der Nähe liegendes Fluoreszenz-Papier an zu Leuchten. Röntgen machte dafür geheimnisvolle Strahlen verantwortlich, die er X-Rays nannte. Mit diesen Strahlen konnte er sogar eine Aufnahme von der Hand seiner Frau auf einer Fotoplatte machen, auf der sich nur die Knochen und der Ehering abzeichneten. Die Wissenschaft, Medizin und auch die Prominenz zeigten sich begeistert. Das Potential seiner Erfindung richtig einschätzend, verzichtete Röntgen auf eine Patentierung seiner Entdeckung, damit die Technik schneller zum Wohle aller eingesetzt werden konnte. Für seine Entdeckung erhielt er 1901 den Nobelpreis. Bis heute verdanken viele der Erfindung von Wilhelm Conrad Röntgen ihr Leben. 2014 wurden alleine in Deutschland etwa 140 Millionen Röntgenaufnahmen gemacht, das sind 1,7 Aufnahmen pro Einwohner.

Eigenschaften der Röntgenstrahlung

Die Röntgenstrahlung, englisch x-rays, besitzt zwei wichtige Eigenschaften.

Ein gutes Durchdringungsvermögen. Sie kann jegliche Materie mit einer geringen Elektronendichte, wie Haut, Wasser, Kleidung oder allgemein Biomasse, mühelos durchdringen. Während Materie mit hoher Elektronendichte, wie Metalle oder auch Knochen, die Strahlen absorbieren.

Die zweite Eigenschaft ist das Ionisierungsvermögen. Dabei regt die Strahlung Elektronen so sehr an, dass diese ihre Elektronenhülle verlassen. Zurück bleibt ein positiv geladenes Ion. Auf diese Weise werden Fotoplatten geschwärzt und Fluoreszenz bewirkt, aber auch Gewebe geschädigt. Was bei einer Röntgenuntersuchung eher störend ist und durch Bleischürzen vermieden wird, wird bei gezieltem Einsatz gegen Tumore ganz bewusst herbeigeführt, indem man sogar mehrere Strahlen in einem Punkt bündelt.

Röntgenstrahlung im elektromagnetischen Spektrum

Die Röntgenstrahlung ist Bestandteil des elektromagnetischen Spektrums. Sie ist dabei energiereicher als die UV-Strahlung, aber weniger energiereich als die Gammastrahlung.

spektrum.jpg

Innerhalb des Spektrums gibt es ein eigenes Röntgenspektrum. Der Wellenlängenbereich liegt zwischen $10 \text{nm}$ und $0,001 \text{nm}$. Typische Photonen aus einer Röntgenröhre besitzen Energiewerte zwischen $1000 \text{eV}$ und $250\,000\text{eV}$. Der Frequenzbereich liegt bei etwa $2,5 \cdot 10^{17}\text{Hz}$ und $6 \cdot 10^{19}\text{Hz}$.

Röntgenbeugung

Die Röntgenbeugung wird genutzt um Informationen über sehr kleine Strukturen zu erhalten. Da die Wellenlänge der eingesetzten Strahlung in der Größenordnung der untersuchten Strukturen liegen muss, ist die Röntgenbeugung die ideale Methode um Gitterstrukturen in Salzen zu untersuchen. Diese Gitterstruktur wirkt dann wie ein Beugungsgitter. Über das Interferenzmuster der Röntgenstrahlung lassen sich dann Rückschlüsse auf den Aufbau des Kristallgitters ziehen.

Röntgenuntersuchung.jpg

Zur Berechnung der Interferenz Maxima, und nur diese sind hier von Interesse, verwendet man die Bragg-Gleichung.

$n \cdot \lambda = 2d \sin{\theta}$

Wie im Bild zu sehen, ist dabei $d$ der Gitterebenenabstand und $\theta$ der Reflexionswinkel zur Gitterebene, also gilt $\theta=90^\circ - \alpha$. Dabei ist $\alpha$ der Einfallswinkel der Strahlen.

Anwendungen auch außerhalb der Medizin

Neben den bereits angesprochenen Einsatzgebieten in der Medizin, wird Röntgenstrahlung auch zum Durchleuchten im Sicherheitsbereich eingesetzt und zur Materialprüfung. Im Bereich der Medizin, wird die Röntgentechnik nun nach und nach durch moderne Verfahren wie CT und MRT ersetzt. Diese besitzen eine bessere Bildgebung und lassen auch 3D-Darstellungen zu.