Röntgen und seine Entdeckungen

in Physik, geschrieben von unbekannt

1. Lebenslauf von Röntgen:
* 27. März 1845 in (Remscheid-) Lennep
† 10. Februar 1923 in München
Wilhelm Conrad Röntgen verbrachte seine Jugend- und Schuljahre von 1848 bis 1865 im niederländischen Apeldoorn und in Utrecht. Von 1865 bis 1871 studierte er in Zürich Maschinenbau und beschäftigte sich mit Experimentalphysik. 1871/1872 war er Assistent des Experimentalphysikers August A. E. E. Kundt (hatte wichtige Beiträge auf dem Gebiet der Akustik, geehrt durch das nach ihm benannte Rohr), mit dem er an die Universitäten Würzburg und Straßburg ging, wo er 1874 die Lehrbefugnis erhielt. 1875 wurde er an die Landwirtschaftliche Hochschule Hohenheim berufen, an der er Physik und Mathematik lehrte. 1876 kehrte er nach Straßburg zurück und lehrte hier bis 1879 Physik. Im gleichen Jahr wurde er Ordinarius (Hochschulenordentlicher Professor) für Theoretische Physik an der Universität Gießen. Von 1888 bis 1900 lehrte er als Ordinarius der Experimentalphysik an der Universität Würzburg, wo er ab 1894 deren Rektor wurde und wo er auch die Röntgenstrahlen entdeckte.
Im Jahre 1900 erhielt Röntgen ein Direktorposten an das Universitätsinstitut für Experimentelle Physik in München, wo er bis zu seinem Tode lehrte. In München ist er nach Jahren gesundheitlichen Leidens und der wirtschaftlichen Not im Alter von 78 Jahren an den Folgen eines Darmkrebses gestorben. Röntgen erhielt zu Lebzeiten 110 in- und ausländische Ehrungen  darunter den ersten Nobelpreis für Physik, den er am 10. Dezember 1901 persönlich entgegennahm. Er hat die steigende Popularität wegen seiner Entdeckung abgelehnt und hat nie irgendeinen Nutzen aus seinen „X-Strahlen“ gezogen. Er hat sie ohne Vorbehalte der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt.

Woran arbeitete Röntgen eigentlich?
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts untersuchte man verstärkt den Transport elektrischer Ladungen in Gasen. Man benutzte dafür sogenannte Entladungsröhren, in denen ein Vakuum herrschte und die folgendermaßen aufgebaut waren.

Die Kathode bestand aus einem heißen Glühdraht, welcher Elektronen produzierte. Zwischen Kathode und Anode wird eine sehr hohe Spannung aufgebaut, welche die Elektronen stark beschleunigt. Jedoch waren in der Physik Elektronen noch nicht erforscht. Man sah in diesem Aufbau ,dass zwischen den beiden Elektroden ein schmaler Streifen glühte. Es war ungeklärt ob dies Teilchen oder Wellen waren. Man nannte diese Art von Strahlung „Kathodenstrahlen“.
Röntgen der eigentlich auf einem andern Gebiet arbeitet wollte die gemachten Versuche selber durchexperimentieren .Einzigster Hinweis war ,dass sich Fotoplatten neben der Entladungsröhre leicht schwärzten dies könnte ein möglicher Grund für das Nachforschen Röntgens sein. Man führte damals die Schwärzung auf UV-Licht zurück.

2.1 Der Versuch am 8. November 1895:
Ende des Jahres arbeitete Röntgen gerade mit „Kathodenstrahlen“, als er bei einer bestimmten Versuchsanordnung plötzlich Licht sah, obwohl es eigentlich gar keines geben durfte (nach damaligem physikalischen Wissen)
Wie es dazu kam?: Röntgen nahm eine einfache Änderung am bekannten Versuchsaufbau vor(siehe oben). Er benutzte immer noch die gleiche Röhre, die er mit einer Vakuumpumpe so luftleer wie damals möglich machte. Die Spannung, die zur Beschleunigung der Elektronen benötigt wurde, erzeugte er mit einem Funkeninduktor. Er bedeckte die Röhre nun aber völlig mit schwarzer Pappe, so dass weder normales noch UV-Licht durchkommen konnte.
Der Schirm aus fluoreszierendem Material leuchtete auf, Röntgen hatte eine neue Art von unsichtbaren Strahlen entdeckt, die durch Materie ging. Dadurch, dass er die Röhre mit schwarzer Pappe abgedeckt hatte, konnte normales (für das menschliche Auge sichtbares) Licht nicht hinausdringen. Da nun trotzdem ein Schirm im Raum aufblitzte, folgerte Röntgen dass es eine unbekannte, unsichtbare Art von Strahlen geben musste und sie aufgrund ihrer unbekannten physikalischen Eigenschaften Zeit seines Lebens „X-Strahlen“ nannte.
Er untersuchte die nächsten 6 Wochen die Entstehung der Strahlen ohne irgend jemandem davon zu informieren.
Seine Gründlichkeit ging so weit, dass er in diesen 6 Wochen so viel über diese neuen „X-Strahlen“ herausfand, dass es mehr als 10 Jahre dauerte, bis andere Physiker weiterführende Erkenntnisse über die Strahlen erlangten.
Die wohl wichtigste Entdeckung, die er dabei machte, war die Tatsache, dass Röntgenstrahlung durch Materie hindurchgeht und man das Innere dieser Materie „fotografieren“ kann. In dieser Entdeckung haben unsere heutzutage alltäglichen „Röntgenbilder“ ihren Ursprung.
Obwohl Röntgen nicht nur die neue Strahlenart entdeckt, sondern sie auch gründlich untersucht hatte, lag die Natur der Strahlen noch im unklaren. Es waren eine Menge Eigenschaften bekannt, die die X-Strahlen hatten, und sie wurden auch schon direkt nach der Entdeckung angewandt. Vor allem in der Medizin benutzte man sie sofort und sehr ausgiebig.
Aber die Fragen woher diese Strahlen kamen und wie sie entstanden, konnte man zu der damaligen Zeit noch nicht beantworten.

2.2 Aufbau und Funktion einer Röntgenröhre:
Röntgenstrahlung ist eine energiereiche elektromagnetische Strahlung. Radiowellen, TV-Wellen, Mikrowellen, sichtbares Licht oder UV-Strahlung sind ebenfalls elektromagnetische Wellen, deren Frequenz und damit Energie jedoch geringer sind als die von Röntgenstrahlung. Es gibt zwei Arten von Röntgenstrahlung siehe oben.

Röntgenstrahlung entsteht nicht nur in Röntgenröhren sondern auch in Fernsehröhren, in Monitoren z.B. von Rechnern oder als Bremsstrahlung in Beschleunigern. Für die medizinische Diagnostik und für die Röntgentiefentherapie wird Röntgenstrahlung in Röntgenstrahlern erzeugt. Dabei besteht ein Röntgenstrahler aus einer Röntgenröhre einschließlich dem Schutzgehäuse, dem Öl zur Kühlung, der Tiefenblende sowie dem Lichtvisier.
Wie in der Abbildung zu erkennen ist, besteht eine Röntgenröhre in der Regel aus einem Glaskolben (selten auch aus Metall) mit einem stark luftverdünnten Innenraum. In den Kolben ist eine Kathode mit einem darüber befindlichen Wehnelt-Zylinder, Elektronen die auf dem Weg zur Anode hin den Wehnelt-Zylinder passieren werden zu einem Strahl gebündelt. Gegenüber des Wehnelt-Zylinder ist eine Anode eingeschmolzen. Bei Diagnostikröhren ist die Anode als drehbarer Teller mit einem Durchmesser von bis zu ca. 20 cm, aus einer Legierung(Zusammenschmelzen mehrerer Metalle)aus Wolfram und Rhenium vorhanden.
Die Drehung des Anodentellers erfolgt mittels eines Rotors, der sich auf der Tellerachse innerhalb des Kolbens befindet und einem außerhalb angebrachten Stator. Die Drehfrequenz kann bis zu 10 000 Umdrehungen pro Minute betragen. Aufgrund der Drehung des Anodentellers wird die einige Millisekunden dauernde und bis zu ca. 100 kW starke Leistung besser verteilt.
Zwischen Kathode und Anode wird bei Diagnostikröhren mit Hilfe eines Hochspannungs-Generators eine einstellbare/veränderliche Hochspannung von ca. 25 kV bis zu ca. 150 kV eingestellt, jedoch besitzt die Kathode eine negative Spannung gegenüber der Anode. Die durch die Hochspannung beschleunigten Elektronen von z.B.25-150 kV treffen, dann mit Energien von 25 keV bis zu 150 keV (1 keV= 1 Kiloelektronenvolt) auf das Material der Anode. Dabei können sie ihre Energie aufgrund zweier verschiedener Prozesse abgeben
Charakteristische/Diskrete Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung.

2.3 Zwei Arten von Röntgenstrahlung:
Röntgenstrahlen werden generell immer dann erzeugt, wenn Elektronen bzw. ein Kathodenstrahl auf Material trifft. Es gibt jedoch zwei verschiedene Möglichkeiten, wie bei diesem Aufprall Röntgenstrahlen entstehen können. Deswegen unterscheidet man zwischen charakteristischer/diskreten Röntgenstrahlung und Bremsstrahlung.

2.4 Charakteristische/Diskrete Röntgenstrahlung:
Die Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung beginnt damit, dass Elektronen, die auf ein Material geschossen werden, Elektronen aus den Bahnen der Atome herausschießen.

Ein Elektron das aus seiner Bahn rausgeschossen wurde, hinterlässt eine „Lücke“. Diese wird mit einem Elektron aus einer äußeren Schale gefüllt, es springt sozusagen für das fehlende ein auf das entsprechende Energieniveau. Dabei wird Energie frei, welche sich in Form von Licht(Röntgenlicht) äußert. Dieses Licht, das immer dann auftritt, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere Bahn springt, wird charakteristische Röntgenstrahlung genannt.
Bei dem eben beschriebenen Vorgang ist jedoch zu beachten, dass die heranfliegenden Elektronen nur Elektronen mit gleicher oder niedrigerer Energie herausschießen können. Auch ist das Licht, das beim Nachfüllen eines Elektrons der inneren Schale erzeugt wird, energiereicher als wenn ein Loch auf einer der äußeren Schalen gefüllt wird. Es gibt also immer anderes Licht (in der Wellenlänge verschieden), abhängig davon, aus welcher Schale ein Elektron rausflog und aus welcher Schale das nachfüllende kam.
Anhand dieser Strahlung kann der Physiker auf das Material zurückschließen, auf das geschossen wurde. Das liegt daran, dass jeder Stoff anders angeordnete Schalen bzw. Energieniveaus hat und damit ein für ihn typisches Spektrum charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist.
Etwas vergleichbares geschieht in der Anode der Röntgenröhre. Die in der Röhre beschleunigten energiereichen Elektronen schlagen Elektronen aus den innersten Schalen der Atome des Anodenmaterials. In diese Lücken „springen“ entweder Elektronen aus höheren Energieniveaus oder „freie“ Elektronen. Da die Bindungsenergie der innersten Elektronenniveaus sehr groß ist, entsteht dabei kein Licht, sondern sogenannte charakteristische (diskrete) Röntgenstrahlung mit einer festen diskreten Energie. Diese Energie entspricht dabei der Differenz aus der Bindungsenergie von z.B. der K-Schale und der energieärmeren N-Schale. Es sind auch alle anderen diskreten Energien möglich, also z.B. die zwischen K- und L-Schale zwischen M- und K-Schale, M- und L-Schale oder, wie erwähnt auch, von „freien“ Elektronen zur K- oder L-Schale.
Diese diskrete /charakteristische Röntgenstrahlung mit jeweils festen Energien und damit Frequenzen wird jedoch, mit Ausnahme bei der Mammographie(Röntgenuntersuchung der weiblichen Brustdrüsen), nicht nur zum kleinen Teil für die Bilderzeugung genutzt. Von dieser Ausnahme abgesehen wird für die Bilderzeugung in der Röntgendiagnostik ausschließlich die Röntgenbremsstrahlung verwendet.
Entstehung von diskreter (= charakteristischer) Röntgenstrahlung

2.5 Bremsstrahlung:
Treffen die energiereichen Elektronen auf die Anode der Röntgenröhre wird ein Teil von ihnen im elektrisch positiven Feld der Atomkerne des Anodenmaterials angezogen und abgebremst(Entstehung einer Krümmung der Flugbahn). Bei dieser Abbremsung wird Energie als Bremsstrahlung frei (frei werdende Energie wird in kleinen Portionen von Röntgenlicht abgestrahlt).Elektronen, die sehr weit an einem Kern des Anodenmaterials vorbeifliegen verlieren wenig Energie, diejenigen die sehr dicht an den Kern kommen sehr viel, bis zu den Elektronen, die dem Kern so nahe kommen, dass sie ihre gesamte Energie in Form von Bremsstrahlung abgeben. Da sehr viele Elektronen auf die Anode treffen, entstehen alle Arten der Energieabgabe von „sehr wenig“ bis „alles“. Daher besteht die entstehende Bremsstrahlung aus sehr vielen verschiedenen Energien bzw. Frequenzen. Man spricht daher auch von einem „kontinuierlichen Spektrum“ dieser Strahlung.

Aufgrund der Entstehung der Bremsstrahlung ist die maximale Energie der entstehenden Röntgenstrahlung in keV zahlenmäßig gleich der angelegten Röhrenspannung in kV.

3. Eigenschaften der Röntgenstrahlung:
In kurzer Zeit hat Röntgen mit den damals zur Verfügung stehenden technischen Möglichkeiten wesentliche Eigenschaften der Röntgenstrahlen experimentell erforscht und die Beobachtungsergebnisse in seinen drei berühmt gewordenen wissenschaftlichen „Mitteilungen“ niedergelegt: 1. Mitteilung vom 28. Dezember 1895 („Über eine neue Art von Strahlen; Vorläufige Mitteilung“), 2. Mitteilung vom 9. März 1896 („Eine neue Art von Strahlen“), 3. Mitteilung vom 3. Mai 1897 („Weitere Beobachtungen über die Eigenschaften der X-Strahlen“). Er hat zu seiner Entdeckung nur diese drei Abhandlungen verfasst.
  • Röntgenstrahlen durchdringen Materie, d.h., sie werden nur selten von den Atomen absorbiert.
  • Röntgenstrahlen sind unsichtbar für das menschliche Auge, da sie zu kurzwellig sind (nicht mehr in dem von uns sehbaren Spektrum).
  • Röntgenstrahlen ionisieren Luft und Gase.
Mit Hilfe des Bildes kann man diese Eigenschaft der Röntgenstrahlung gut veranschaulichen. Es zeigt einen Strahl von sichtbarem weißen Licht, welches nicht das Röntgenlicht selber ist, sondern von ihm hervorgerufen wird. Die Röntgenstrahlung ionisiert nämlich die Luftmoleküle, und diese geben in diesem sehr stark angeregten Zustand dann Energie in Form von Licht ab.
  • Röntgenstrahlen sind weder durch elektrische noch magnetische Felder ablenkbar.
Anwendungen:
Mit Röntgenstrahlen kann der menschliche Körper durchleuchtet werden, wobei v.a. Knochen, aber bei modernen Geräten auch innere Organe sichtbar werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass das in den Knochen vorkommende Element Calcium mit Z=20 eine deutlich höhere Ordnungszahl hat als die Elemente, aus denen die weichen Gewebe hauptsächlich bestehen, nämlich Wasserstoff (Z=1), Kohlenstoff (Z=6), Stickstoff (Z=7) und Sauerstoff (Z=8). Neben herkömmlichen Geräten, die eine zweidimensionale Projektion produzieren, werden auch die so genannten Computertomographien eingesetzt, die eine räumliche Rekonstruktion des Körperinneren ermöglichen.
In der Materialphysik, der Chemie und der Biochemie wird Streuung von Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung benutzt. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung der DNA.
Darüber hinaus kann mit Röntgenstrahlen auch die Elementzusammensetzung eines Stoffes bestimmt werden.
 
5. Wirkung und Schädlichkeit von Röntgenstrahlen:
Egal, ob im Haus, im Garten oder im Flugzeug, ständig sind wir natürlichen ionisierten Strahlungen ausgesetzt, sogar mit der Nahrung können wir sie aufnehmen. Die Intensität der Strahlen, auch effektive Dosis genannt, kann gemessen werden und wird in der Einheit Sievert oder bei kleinen Mengen in Millisievert (mSv) angegeben. Der Mittelwert der natürlichen effektiven Dosis liegt in Deutschland bei etwa 2,4mSv.
Dass ionisierende Strahlung bösartige Erkrankungen, wie Krebs oder Schädigungen des Ungeborenen im Mutterleib, hervorrufen können ist erwiesen(Schädigen das Erbgut). Allerdings wurden diese Erkenntnisse nur bei Werten über 200mSv gewonnen. Jedoch kommen solche hohe Dosen bei Röntgenaufnahmen nicht vor z.B. bei Unersuchung von Venen 1mSv usw.. Dennoch gehen Forscher der Internationalen Strahlenschutzkommission, kurz ICRP, davon aus, dass auch bei niedrigen Dosen Schäden nicht ganz ausgeschlossen werden können. Selbst kleinste Dosen verbergen ein geringes Risiko. Auch ist die Schädlichkeit von der Lokalisation der angewendeten Röntgenstrahlung abhängig. Vergleichsweise strahleneunempfindlich sind Hände und Füße, während Aufnahmen innerer Organe strahlenintensiver sind.
Man kann keinen Mittelwert für das Risiko pro Einwohner bilden, weil die Wahrscheinlichkeit einer Krebserkrankung nicht für alle Personen gleich groß ist. Außerdem ist die Wahrscheinlich für einen Menschen, der in hohem Alter geröntgt wird, größer an Alterschwäche zu sterben, als an den Auswirkungen der Röntgenstrahlung, weil ein strahlenbedingter Krebstumor eine jahrzehntelange Entstehungszeit hat.

6. Natürliche Röntgenstrahlung:
Auf der Erde entstehen Röntgenstrahlen in geringer Intensität in Folge der Absorption anderer Strahlungsarten, die von radioaktivem Zerfall und der Höhenstrahlung stammen. Röntgenstrahlen, die auf anderen Himmelskörpern entstehen, erreichen die Erdoberfläche nicht, weil sie durch die Atmosphäre abgeschirmt werden. Um sie zu untersuchen werden Röntgensatelliten wie Chandra und XMM-Newton in eine Umlaufbahn um die Erde geschickt.

7. Anhang:
7.1 Begeisterung in der Gesellschaft
In der Gesellschaft wurde diese naturwissenschaftliche Entdeckung wie keine vor ihr aufgenommen. Normalerweise werden physikalische Entdeckungen nur in einem kleinen Kreis Interessierter diskutiert, aber bei den Röntgenstrahlen war jeder interessiert, weil es einen selber betraf.

Das Interesse der Bevölkerung ging so weit, dass selbst auf Partys Röntgenapparate als Attraktion aufgestellt wurden. Zum Vergnügen wurden dann Fotos von den eigenen Händen oder anderen Körperteilen gemacht und anschließend ausgiebig bestaunt. Der Strahlenschutz war damals noch unbekannt.
Röntgenstrahlung war plötzlich Bestandteil der Öffentlichkeit. Selbst in Schuhgeschäften fand die neue Entdeckung Anwendung ,der Kunde konnte sich die Position seiner Füße in den neuen Schuhen angucken.
Als Röntgen am 23.1. 1896 in Würzburg seinen einzigen öffentlichen Vortrag hielt, wurde er mehrmals von Beifallsstürmen unterbrochen. Nachdem er dann während seines Vortrags auch noch die Hand des Leiters der medizinischen Fakultät, Prof. von Kölliker, mit Röntgenstrahlen fotografierte, kannte der Beifall keine Grenzen mehr. Auf den spontanen Vorschlag von Kölliker hin wurden die „X-Strahlen“ ab dann in Deutschland nur noch Röntgenstrahlen genannt.
Er stellte nicht nur Aufnahmen technischer Gegenstände als Demonstrationsobjekte röntgensphotographisch dar sondern auch seine Hand sowie die seiner Frau Anna Bertha (1839-1919).
Am deutlichsten wird diese Welle der Begeisterung durch die Tatsache, dass selbst der Kaiser, Röntgen schon 2 Wochen nach seiner Entdeckung zu sich einlud, um ihn zu ehren.

7.2 Euphorie in der Medizin:
In der Medizin lag anfangs der größte Anwendungsbereich; hier waren die Strahlen so etwas wie eine Revolution. Man konnte endlich in den lebenden Menschen hineinsehen und seinen Aufbau, seine Organe besser verstehen.

Im Jahres 1896 hatten die Ärzte nahezu weltweit die möglichen medizinischen Anwendungen der neuen Strahlen klar erkannt und begannen sie trotz aller damals unzulänglichen technischen Mittel in ihre tägliche Praxis einzubeziehen. Die Schädlichkeit der Röntgenstrahlen hatte man einfach nicht wahr genommen. So kam es, dass viele Physiker und Mediziner erkrankten und einige sogar daran starben. Erst dadurch lernte man die Gefährlichkeit der Strahlung kennen und begann sich zu schützen.
Schon in den ersten Jahren nach der Entdeckung wurden zahlreiche neue Apparaturen konstruiert, um Röntgenstrahlen überhaupt oder besser zu nutzen.
Der Grabstein steht vor dem Krankenhaus St. Georg in Hamburg und warnt Forscher und Mediziner vor den Spätwirkungen der Experimente mit Röntgenstrahlen an denen viele gestorben sind.

7.3 Faszination in der Physik:
Die nachfolgende Liste verdeutlicht eindrucksvoll, welche ungeheuren Auswirkungen Röntgens Entdeckung hatte und wie viele Physiker sich im Laufe der Zeit mit dem Thema auseinandersetzen. Es ist eine Liste der Nobelpreisträger, die die wichtigsten Fortschritte auf dem Gebiet der Forschung mit Röntgenstrahlen erzielt haben, und deren Entdeckungen alle auf der von 1895 basieren.

  • 1914  M. v. Laue: Röntgen-Interferenzen an Kristallen
  • 1915 W.H. und W.L. Bragg:  Röntgen-Beugung an Kristallen
  • 1936 P. Debye: Kristallpulvermethode(Reflexion an drehenden Ebenen)

Quellenangabe:

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