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Röntgenstrahlung – Entdeckung und Eigenschaften 07:08 min

Textversion des Videos

Transkript 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.

Röntgenstrahlung – Entdeckung und Eigenschaften Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Röntgenstrahlung – Entdeckung und Eigenschaften kannst du es wiederholen und üben.

  • Gib die Entdeckungsgeschichte der Röntgenstrahlung wieder.

    Tipps

    Die Röntgenstrahlung kennst du aus dem Krankenhaus.

    Falls du auch schon einmal einen Knochenbruch hattest, wurdest du bereits mit Röntgenstrahlung durchleuchtet.

    Lösung

    Die Röntgenstrahlung kennen wir aus dem Krankenhaus. Sie ist in der Lage, die Knochen unseres Körpers sichtbar zu machen. Auch jeder andere harte Gegenstand in unserem Körper kann sichtbar gemacht werden. Selbst Kaiser Wilhelm der II unterzog sich bereits einer Röntgenuntersuchung.

    Anfangs war es sehr besonderes in seinen Körper zu schauen und man war sich der damit verbundenen Gefahr nicht bewusst. Heutzutage lässt man sich nicht mehr zum Spaß röntgen, sondern nur noch, wenn es einen medizinischen Anlass gibt.

  • Nenne das Absorptionsgesetz.

    Tipps

    Beim Absorptionsvermögen wird die Intensität gemessen.

    Lösung

    Das Absorptionsgesetz gibt an, wie stark die Intensität durch das Material reduziert wird. Dabei ist $I(X)$ die Intensität in Abhängigkeit zur Materialdicke $x$. $I_0$ ist die Ausgangsintensität und $\mu$ ist eine Materialkonstante.

  • Nenne die Eigenschaften der Röntgenstrahlung.

    Tipps

    Röntgenstrahlung wird im Krankenhaus eingesetzt, um Knochen und Kalkablagerungen im Körper sichtbar zu machen.

    Nur die Gammastrahlung kann ebenso in den Körper eindringen.

    Lösung

    Die Röntgenstrahlung kann wegen ihrer Eigenschaften sinnvoll in der Medizin eingesetzt werden. Hierbei werden sowohl das Durchdringungsvermögen als auch das Ionisationsvermögen der Strahlung genutzt.

    Besonders die Fähigkeit, elektronenarmes Gewebe zu durchdringen und elektronenreiches Gewebe nicht zu durchdringen, macht durch die Ionisation die Bildgebung erst möglich.

    Diese Eigenschaften besitzt die Strahlung, da sie sehr kurzwellig und energiereich ist. Nur Gammastrahlung ist noch energiereicher und kurzwelliger.

  • Erkläre, ob man einen Röntgenpass benötigt.

    Tipps

    Die meisten Krankenkassen plädieren für den Röntgenpass.

    Die Knochen sind für die Röntgenstrahlung nicht durchlässig, sie absorbieren die Strahlung.

    Lösung

    Der Röntgenpass wurde offiziell eingeführt. Das liegt vor allem daran, dass relativ häufig auch in der Nähe des Kopfes geröntgt wurde, nämlich bei den Zahnärzten. Dadurch baut sich besonders im gehirnnahen Bereich eine Energiedosis auf, die zu Schädigungen führen kann. Daher ist es wichtig, auf unnötige Röntgenaufnahmen zu verzichten und hier auch als Patient darauf hinzuweisen, wann die letzte Aufnahme gemacht wurde.

  • Erkläre, warum genau solch ein Bild bei einer Röntgenuntersuchung entsteht.

    Tipps

    Das Röntgenbild verhält sich wie ein Fotopapier, es wird dort geschwärzt, wo Licht darauf fällt.

    Die Röntgenstrahlung kann wegen ihrer Eigenschaften in der Medizin eingesetzt werden. Hierbei werden sowohl das Durchdringungsvermögen als auch das Ionisationsvermögen der Strahlung genutzt.

    Lösung

    Die Röntgenstrahlung kann wegen ihrer Eigenschaften in der Medizin sinnvoll eingesetzt werden. Hierbei werden sowohl das Durchdringungsvermögen als auch das Ionisationsvermögen der Strahlung genutzt.

    Besonders, dass die Röntgenstrahlung einige Materialien durchdringen kann und andere wiederum nicht, ist für die Bildgebung entscheidend. Das Bild wird schließlich durch die ionisierende Wirkung der Strahlen bewirkt, da sie an den Stellen, an denen sie auf die Folie treffen, diese schwärzen. Weiterhin werden sowohl der Patient als auch der Arzt durch Bleischürzen vor der Strahlung geschützt.

    Die Bleischürze darf den Bereich, der durchleuchtet werden soll, aber natürlich nicht abdecken.

  • Berechne, wie viel Restintensität bei einer Röntgenuntersuchung noch das Röntgenbild erreicht.

    Tipps

    Die Intensität $I_0$ beträgt 100 %, dies entspricht $41\,\dfrac{keV}{s\,\cdot\,cm^2}$.

    Lösung

    Die Intensität $I_0$ beträgt 41 keV, das entspricht 100%.

    Wir nutzen die Gleichung:

    $I=I_0\,\cdot\,e^{-\mu\,\cdot\,x}$

    dabei ist $I$ die zu bestimmende Intensität, $I_0$ die Ausgangsintensität, $\mu$ der Absorptionskoeffizient und $x$ die Schichtdicke.

    Nun setzen wir jeweils die Werte für Knochen und für das Gewebe ein.

    $I_K=I_0\,\cdot\,e^{-\mu_K\,\cdot\,x}= 41000\,\dfrac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}\,\cdot\,e^{-0,999\,\dfrac{1}{cm}\,\cdot\,5\,cm}\approx 277,64\,\dfrac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}$

    $I_G=I_0\,\cdot\,e^{-\mu_G\,\cdot\,x}= 41000\,\dfrac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}\,\cdot\,e^{-0,270\,\dfrac{1}{cm}\,\cdot\,10\,cm}\approx 2755,42\,\dfrac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}$

    Dann berechnen wir die prozentualen Verhältnisse:

    $\frac{I_K}{I_0}=\dfrac{277,64\,\frac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}}{41000\,\frac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}}\approx\,1\,\%$

    $\frac{I_G}{I_0}=\dfrac{2755,42\,\frac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}}{41000\,\frac{eV}{s\,\cdot\,cm^2}}\approx\,7\,\%$

    Eigentlich müsste die Strahlung aber zunächst 2,5 cm Gewebe durchdringen, dann den Knochen und im Abschluss nochmals 2,5 cm Gewebe. Damit würden dann lediglich 0,176% den Körper durchdringen.

    Die komplette restliche Energie wird vom Körper absorbiert. was bei vereinzelten Röntgenuntersuchungen nicht schädlich ist.