Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung spielt in der Medizin, bei Sicherheitskontrollen oder in der Materialprüfung eine Rolle. Wie sie entsteht und welche physikalischen Prinzipien dahinterstecken, erfährst du hier.
Inhaltsübersicht
Wie entsteht Röntgenstrahlung?
Röntgenstrahlung wird künstlich erzeugt — in sogenannten Röntgenröhren. Dort entsteht Röntgenstrahlung, wenn Elektronen mit hoher Geschwindigkeit auf eine Anode aus Metall treffen und dabei abgebremst werden. Durch dieses plötzliche Abbremsen entsteht sehr viel Wärme, aber auch ein kleiner Teil Röntgenstrahlung.
Die Röntgenstrahlung setzt sich aus zwei Arten zusammen: der Bremsstrahlung und der charakteristischen Strahlung. Sie haben beide unterschiedliche Wellenlängen.
- Die Bremsstrahlung entsteht direkt beim Abbremsen der Elektronen. Die Bremsstrahlung hat ein breites Spektrum an verschiedenen Wellenlängen.
- Die charakteristische Strahlung entsteht, wenn die Elektronen beim Aufprall auf das Anodenmetall innere Elektronen aus den Atomschalen herausschlagen. Wenn andere Elektronen diese Lücken wieder auffüllen, entsteht Strahlung mit ganz bestimmten Wellenlängen, die für jedes Anodenmaterial typisch sind.
Zusammen bilden die Bremsstrahlung und die charakteristische Strahlung die Röntgenstrahlung mit einem breiten Spektrum verschiedener Wellenlängen.
Röntgenstrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung — ähnlich wie Licht, nur mit viel kürzeren Wellenlängen. Die Wellenlängen liegen im Bereich zwischen 0,01 und 10 Nanometern.
Aufbau und Funktion der Röntgenröhre
Röntgenstrahlung entsteht nur unter bestimmten Bedingungen: Es braucht schnelle Elektronen, ein Vakuum und ein festes Material, auf das die Teilchen treffen. Genau dafür gibt es die Röntgenröhre — sie stellt alle nötigen Voraussetzungen technisch her.
Die Röhre besteht im Wesentlichen aus drei Bauteilen: der Glühkathode, dem evakuierten Glaskolben und der Anode.
1. Die Glühkathode
Um Röntgenstrahlen zu erzeugen, wird die Glühkathode in der Röntgenröhre erhitzt. Dadurch lösen sich Elektronen von ihrer Oberfläche. Dieser Vorgang heißt Glühemission. Damit die Elektronen nicht in alle Richtungen auseinanderfliegen, befindet sich um die Kathode ein negativ geladener Zylinder — der Wehneltzylinder. Er stößt die Elektronen seitlich ab und sorgt so dafür, dass sie als gebündelter Strahl zur Anode fliegen.
2. Der Glaskolben mit Vakuum
Zwischen Kathode und Anode befindet sich ein luftleerer Raum — ein sogenanntes Vakuum. Ohne dieses Vakuum würden die Elektronen auf dem Weg zur Anode mit Luftmolekülen zusammenstoßen und dabei Energie verlieren oder abgelenkt werden. Das Vakuum sorgt dafür, dass die Elektronen ungestört beschleunigt werden und mit maximaler Energie auf die Anode treffen.
3. Die Anode
Die Anode muss aus einem Metall bestehen, das hohen Temperaturen standhält. Deshalb wird häufig Wolfram verwendet. Trifft der Elektronenstrahl auf die Anode, werden die Teilchen abrupt gestoppt. Dabei wird sehr viel Energie frei: Ein kleiner Teil davon, ca. 1 %, ist die Röntgenstrahlung. Sie setzt sich aus der Bremsstrahlung und der charakteristischen Strahlung zusammen. Der Großteil der Energie, ca. 99 %, ist jedoch Wärmeenergie. Damit die Anode dabei nicht überhitzt, wird sie in der Regel durch Wasser oder Öl gekühlt.
Größenordnung der Beschleunigungsspannung
In der Röntgenröhre werden die Elektronen durch eine elektrische Spannung beschleunigt, die sogenannte Beschleunigungsspannung. Sie sorgt dafür, dass die Elektronen mit hoher Energie auf die Anode treffen und dabei Röntgenstrahlung entsteht.
Je höher die Spannung, desto durchdringender ist die entstehende Röntgenstrahlung. Typische Werte für die Beschleunigungsspannung liegen zwischen 1 kV und 150 kV, in der Materialprüfung sogar bis zu 250 kV.
- Zahnaufnahmen: 60 – 70 kV
- Lungenaufnahmen: 100 – 120 kV
- Materialprüfung: 250 kV
Die Spannung bestimmt also, wie tief die Strahlen ins Material eindringen und wofür sie eingesetzt werden können.
Moderne Anwendungen der Röntgenstrahlung
Röntgenstrahlung wird heutzutage in vielen Bereichen genutzt — überall dort, wo man in das Innere von Objekten schauen will, ohne sie zu öffnen.
- In der Medizin zeigt ein Röntgenbild Knochenbrüche, weil das Kalzium in den Knochen mehr Strahlung absorbiert als weiches Gewebe. So entsteht ein klarer Hell-Dunkel-Kontrast zwischen den Muskeln und der Haut zu den Knochen.
- In der Krebstherapie lassen sich Tumorzellen gezielt zerstören. Sie reagieren empfindlicher auf Strahlung als gesunde Zellen.
- Techniker nutzen Röntgenstrahlung, um Materialfehler zu finden — etwa feine Risse in Schweißnähten oder Hohlräume in Flugzeugteilen.
- An Flughäfen wird Gepäck durchleuchtet, weil Röntgenstrahlen auch durch feste Stoffe dringen und versteckte Gegenstände sichtbar machen.
Elektromagnetisches Spektrum
Röntgenstrahlung ist nur ein Teil der elektromagnetischen Strahlung. Wie sie sich im gesamten elektromagnetischen Spektrum einordnet und welche Bereiche es noch gibt, erfährst du in unserem Artikel dazu.
