Röntgenstrahlung

Röntgenfoto in natürlicher Farbe einer Weinszene ⓘ

Röntgenstrahlung oder, viel seltener, Röntgenstrahlung, ist eine durchdringende Form von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung. Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge von 10 Pikometern bis 10 Nanometern, was Frequenzen im Bereich von 30 Petahertz bis 30 Exahertz (30×10¹⁵ Hz bis 30×10¹⁸ Hz) und Energien im Bereich von 145 eV bis 124 keV entspricht. Die Wellenlängen von Röntgenstrahlen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. In vielen Sprachen wird die Röntgenstrahlung als Röntgenstrahlung bezeichnet, nach dem deutschen Wissenschaftler Wilhelm Conrad Röntgen, der sie am 8. November 1895 entdeckte. Er nannte sie Röntgenstrahlung, um eine unbekannte Art von Strahlung zu bezeichnen. Zu den Schreibweisen von X-ray(s) im Englischen gehören die Varianten x-ray(s), xray(s) und X ray(s). Die bekannteste Anwendung von Röntgenstrahlen ist die Untersuchung auf Frakturen (Knochenbrüche), aber Röntgenstrahlen werden auch für andere Zwecke verwendet. Röntgenaufnahmen des Brustkorbs können zum Beispiel eine Lungenentzündung aufdecken. Bei Mammographien werden Röntgenstrahlen zur Erkennung von Brustkrebs eingesetzt. ⓘ

DIN EN ISO 7010 W003: Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen ⓘ

Geschichte

Beobachtungen und Forschung vor dem Röntgen

Beispiel für eine Crookes-Röhre, eine Art Entladungsröhre, die Röntgenstrahlen aussendet ⓘ

Vor ihrer Entdeckung im Jahr 1895 waren Röntgenstrahlen nur eine Art unbekannter Strahlung, die von experimentellen Entladungsröhren ausging. Sie wurden von Wissenschaftlern bemerkt, die die von diesen Röhren erzeugten Kathodenstrahlen untersuchten, bei denen es sich um energetische Elektronenstrahlen handelt, die erstmals 1869 beobachtet wurden. Viele der frühen Crookes-Röhren (die um 1875 erfunden wurden) strahlten zweifellos Röntgenstrahlen ab, da die frühen Forscher Effekte feststellten, die auf diese Röhren zurückzuführen waren (siehe unten). Crookes-Röhren erzeugten freie Elektronen durch Ionisierung der Restluft in der Röhre durch eine hohe Gleichspannung von einigen Kilovolt bis 100 kV. Diese Spannung beschleunigte die von der Kathode kommenden Elektronen auf eine so hohe Geschwindigkeit, dass sie Röntgenstrahlen erzeugten, wenn sie auf die Anode oder die Glaswand der Röhre trafen. ⓘ

Der erste Experimentator, der (unwissentlich) Röntgenstrahlen erzeugt haben soll, war William Morgan. Im Jahr 1785 legte er der Royal Society of London eine Arbeit vor, in der er die Auswirkungen des Durchleitens elektrischer Ströme durch eine teilweise evakuierte Glasröhre beschrieb, die ein durch Röntgenstrahlen erzeugtes Glühen erzeugte. Diese Arbeit wurde von Humphry Davy und seinem Assistenten Michael Faraday weiter erforscht. ⓘ

Als der Physikprofessor Fernando Sanford an der Stanford University seine "elektrische Fotografie" entwickelte, erzeugte und entdeckte er unwissentlich auch Röntgenstrahlen. Von 1886 bis 1888 hatte er im Laboratorium von Hermann von Helmholtz in Berlin studiert, wo er sich mit den Kathodenstrahlen vertraut machte, die in Vakuumröhren erzeugt werden, wenn eine Spannung an getrennte Elektroden angelegt wird, wie sie zuvor von Heinrich Hertz und Philipp Lenard untersucht worden waren. Sein Brief vom 6. Januar 1893 (in dem er seine Entdeckung als "elektrische Fotografie" bezeichnete) an The Physical Review wurde ordnungsgemäß veröffentlicht, und ein Artikel mit dem Titel Without Lens or Light, Photographs Taken With Plate and Object in Darkness erschien im San Francisco Examiner. ⓘ

Ab 1888 führte Philipp Lenard Experimente durch, um festzustellen, ob Kathodenstrahlen aus der Crookes-Röhre in die Luft gelangen können. Er baute eine Crookes-Röhre mit einem "Fenster" am Ende aus dünnem Aluminium, das der Kathode zugewandt war, so dass die Kathodenstrahlen darauf trafen (später "Lenard-Röhre" genannt). Er stellte fest, dass etwas durchkam, das fotografische Platten belichtete und Fluoreszenz verursachte. Er maß die Durchschlagskraft dieser Strahlen durch verschiedene Materialien. Es wurde vermutet, dass zumindest einige dieser "Lenard-Strahlen" tatsächlich Röntgenstrahlen waren. ⓘ

1889 veröffentlichte der in der Ukraine geborene Ivan Puluj, Dozent für Experimentalphysik am Prager Polytechnikum, der seit 1877 verschiedene Arten von gasgefüllten Röhren konstruiert hatte, um deren Eigenschaften zu untersuchen, eine Abhandlung darüber, wie versiegelte Fotoplatten dunkel wurden, wenn sie den Ausdünstungen der Röhren ausgesetzt wurden. ⓘ

Helmholtz formulierte mathematische Gleichungen für Röntgenstrahlen. Er postulierte eine Dispersionstheorie, bevor Röntgen seine Entdeckung und Bekanntgabe machte. Er stützte sich dabei auf die elektromagnetische Theorie des Lichts. Allerdings arbeitete er nicht mit echten Röntgenstrahlen. ⓘ

1894 bemerkte Nikola Tesla in seinem Labor beschädigte Filme, die mit den Crookes-Röhren-Experimenten in Zusammenhang zu stehen schienen, und begann, diese unsichtbare, strahlende Energie zu untersuchen. Nachdem Röntgen die Röntgenstrahlen identifiziert hatte, begann Tesla, mit Hilfe von Hochspannungen und selbst entworfenen Röhren sowie Crookes-Röhren selbst Röntgenbilder zu erzeugen. ⓘ

Entdeckung durch Röntgen

Wilhelm Röntgen ⓘ

Am 8. November 1895 stieß der deutsche Physikprofessor Wilhelm Röntgen bei Experimenten mit Lenard- und Crookes-Röhren auf Röntgenstrahlen und begann sie zu untersuchen. Er schrieb einen ersten Bericht "Über eine neue Art von Strahlen: Eine vorläufige Mitteilung" und reichte ihn am 28. Dezember 1895 bei der Zeitschrift der Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft in Würzburg ein. Dies war die erste Abhandlung über Röntgenstrahlen. Röntgen bezeichnete die Strahlung als "X", um darauf hinzuweisen, dass es sich um eine unbekannte Strahlungsart handelte. Einige frühe Texte bezeichnen sie als Chi-Strahlen, da sie das "X" als den griechischen Großbuchstaben Chi, Χ, interpretierten. Der Name Röntgenstrahlen setzte sich durch, obwohl viele seiner Kollegen (gegen den großen Widerstand von Röntgen) vorschlugen, sie Röntgenstrahlen zu nennen. Sie werden noch immer in vielen Sprachen so bezeichnet, darunter Deutsch, Ungarisch, Ukrainisch, Dänisch, Polnisch, Bulgarisch, Schwedisch, Finnisch, Estnisch, Slowenisch, Türkisch, Russisch, Lettisch, Litauisch, Japanisch, Niederländisch, Georgisch, Hebräisch und Norwegisch. Für seine Entdeckung erhielt Röntgen den ersten Nobelpreis für Physik. ⓘ

Es gibt widersprüchliche Berichte über seine Entdeckung, da Röntgen seine Labornotizen nach seinem Tod verbrennen ließ, aber dies ist eine wahrscheinliche Rekonstruktion durch seine Biographen: Röntgen untersuchte die Kathodenstrahlen einer Crookes-Röhre, die er in schwarze Pappe eingewickelt hatte, damit das sichtbare Licht der Röhre nicht stört, mit Hilfe eines mit Bariumplatinocyanid bestrichenen Leuchtschirms. Er bemerkte ein schwaches grünes Leuchten auf dem Schirm in etwa 1 Meter Entfernung. Röntgen erkannte, dass einige unsichtbare Strahlen aus der Röhre den Karton durchdrangen und den Schirm zum Leuchten brachten. Er stellte fest, dass sie auch Bücher und Papiere auf seinem Schreibtisch durchdringen konnten. Röntgen machte sich daran, diese unbekannten Strahlen systematisch zu untersuchen. Zwei Monate nach seiner ersten Entdeckung veröffentlichte er seine Arbeit. ⓘ

Hand mit Ringen: Abdruck der ersten "medizinischen" Röntgenaufnahme von Wilhelm Röntgen von der Hand seiner Frau, aufgenommen am 22. Dezember 1895 und am 1. Januar 1896 Ludwig Zehnder vom Physik-Institut der Universität Freiburg überreicht ⓘ

Röntgen entdeckte ihren medizinischen Nutzen, als er die Hand seiner Frau auf einer durch Röntgenstrahlen entstandenen fotografischen Platte abbildete. Das Foto der Hand seiner Frau war das erste Foto eines menschlichen Körperteils mit Röntgenstrahlen. Als sie das Bild sah, sagte sie: "Ich habe meinen Tod gesehen". ⓘ

Die Entdeckung der Röntgenstrahlen löste eine regelrechte Sensation aus. Röntgens Biograph Otto Glasser schätzt, dass allein im Jahr 1896 49 Aufsätze und 1044 Artikel über die neuen Strahlen veröffentlicht wurden. Diese Schätzung ist wohl eher konservativ, wenn man bedenkt, dass fast alle Zeitungen der Welt ausführlich über die neue Entdeckung berichteten, wobei eine Zeitschrift wie Science ihr allein in diesem Jahr 23 Artikel widmete. Zu den sensationslüsternen Reaktionen auf die neue Entdeckung gehörten Veröffentlichungen, in denen die neue Art von Strahlen mit okkulten und paranormalen Theorien wie der Telepathie in Verbindung gebracht wurde. ⓘ

Fortschritte in der Radiologie

Aufnahme eines Röntgenbildes mit einem frühen Crookes-Röhrengerät, Ende des 19. Jahrhunderts. Die Crookes-Röhre ist in der Mitte sichtbar. Der stehende Mann betrachtet seine Hand mit einem Durchleuchtungsschirm. Der sitzende Mann macht eine Röntgenaufnahme seiner Hand, indem er sie auf eine fotografische Platte legt. Es werden keine Vorsichtsmaßnahmen gegen die Strahlenbelastung getroffen; die Gefahren waren damals noch nicht bekannt. ⓘ

Chirurgische Entfernung eines Geschosses, dessen Lage mit Röntgenstrahlen diagnostiziert wurde (siehe Beilage), 1897 ⓘ

Röntgen erkannte sofort, dass Röntgenstrahlen medizinische Anwendungen haben könnten. Zusammen mit seinem Beitrag zur Physikalisch-Medizinischen Gesellschaft vom 28. Dezember schickte er einen Brief an ihm bekannte Ärzte in ganz Europa (1. Januar 1896). Die Nachricht (und die Erstellung von "Schattenbildern") verbreitete sich schnell, und der schottische Elektroingenieur Alan Archibald Campbell-Swinton war der erste nach Röntgen, der ein Röntgenbild (von einer Hand) erstellte. Bis Februar beschäftigten sich allein in Nordamerika 46 Experimentatoren mit dieser Technik. ⓘ

Die erste Anwendung von Röntgenstrahlen unter klinischen Bedingungen erfolgte am 11. Januar 1896 durch John Hall-Edwards in Birmingham, England, als er eine in der Hand eines Mitarbeiters steckende Nadel durchleuchtete. Am 14. Februar 1896 war Hall-Edwards auch der erste, der Röntgenstrahlen bei einem chirurgischen Eingriff einsetzte. ⓘ

Bilder von James Green, aus "Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles" (1897), mit (von links) Rana esculenta (jetzt Pelophylax lessonae), Lacerta vivipara (jetzt Zootoca vivipara) und Lacerta agilis ⓘ

Anfang 1896, einige Wochen nach Röntgens Entdeckung, bestrahlte Iwan Romanowitsch Tarkhanow Frösche und Insekten mit Röntgenstrahlen und kam zu dem Schluss, dass die Strahlen "nicht nur fotografieren, sondern auch die Lebensfunktion beeinflussen". Etwa zur gleichen Zeit begann der zoologische Illustrator James Green, Röntgenstrahlen zur Untersuchung empfindlicher Exemplare einzusetzen. George Albert Boulenger erwähnte diese Arbeit erstmals in einem Vortrag, den er im Mai 1896 vor der Zoologischen Gesellschaft von London hielt. Das Buch Sciagraphs of British Batrachians and Reptiles (Sciagraph ist eine veraltete Bezeichnung für eine Röntgenaufnahme) von Green und James H. Gardiner, mit einem Vorwort von Boulenger, wurde 1897 veröffentlicht. ⓘ

Das erste in den Vereinigten Staaten hergestellte medizinische Röntgenbild wurde mit einer Entladungsröhre nach dem Entwurf von Pului erzeugt. Als Frank Austin vom Dartmouth College im Januar 1896 von Röntgens Entdeckung erfuhr, testete er alle Entladungsröhren im Physiklabor und stellte fest, dass nur die Pului-Röhre Röntgenstrahlen erzeugte. Dies war darauf zurückzuführen, dass Pului ein schräges "Target" aus Glimmer in die Röhre eingebaut hatte, in dem Proben von fluoreszierendem Material gehalten wurden. Am 3. Februar 1896 setzten Gilman Frost, Professor für Medizin am College, und sein Bruder Edwin Frost, Professor für Physik, das Handgelenk von Eddie McCarthy, den Gilman einige Wochen zuvor wegen eines Bruchs behandelt hatte, den Röntgenstrahlen aus und sammelten das daraus resultierende Bild des gebrochenen Knochens auf fotografischen Gelatineplatten, die sie von Howard Langill, einem lokalen Fotografen, der sich ebenfalls für Röntgens Arbeit interessierte, erhalten hatten. ⓘ

1896 in der medizinischen Zeitschrift "Nouvelle Iconographie de la Salpetrière" veröffentlichte Plakette. Links eine Handdeformität, rechts dieselbe Hand, die mit Hilfe der Röntgenfotografie betrachtet wurde. Die Autoren nannten die Technik Röntgenfotografie. ⓘ

Viele Experimentatoren, darunter auch Röntgen selbst in seinen ursprünglichen Experimenten, entwickelten Methoden, um Röntgenbilder "live" mit einer Art Leuchtschirm zu betrachten. Röntgen verwendete einen mit Bariumplatinocyanid beschichteten Schirm. Am 5. Februar 1896 entwickelten sowohl der italienische Wissenschaftler Enrico Salvioni (sein "Kryptoskop") als auch Professor McGie von der Princeton University (sein "Skiascope") Geräte zur Live-Darstellung, die beide Bariumplatinocyanid verwendeten. Der amerikanische Erfinder Thomas Edison begann bald nach Röntgens Entdeckung mit seinen Forschungen und untersuchte die Fähigkeit von Materialien, unter dem Einfluss von Röntgenstrahlen zu fluoreszieren, wobei er feststellte, dass Kalziumwolframat die effektivste Substanz war. Im Mai 1896 entwickelte er das erste serienmäßig hergestellte Gerät zur Darstellung von Lebendbildern, sein "Vitascope", später Fluoroskop genannt, das zum Standard für medizinische Röntgenuntersuchungen wurde. Um 1903, vor dem Tod von Clarence Madison Dally, einem seiner Glasbläser, stellte Edison die Röntgenforschung ein. Dally hatte die Angewohnheit, Röntgenröhren an seinen eigenen Händen zu testen, und entwickelte dabei einen so hartnäckigen Krebs, dass ihm in einem vergeblichen Versuch, sein Leben zu retten, beide Arme amputiert wurden; 1904 war er der erste bekannte Todesfall, der auf eine Röntgenexposition zurückzuführen war. Während der Entwicklung des Fluoroskops stellte der serbisch-amerikanische Physiker Mihajlo Pupin unter Verwendung eines von Edison entwickelten Kalziumwolframat-Bildschirms fest, dass die Belichtungszeit für Röntgenaufnahmen in der Medizin von einer Stunde auf wenige Minuten reduziert werden konnte. ⓘ

Im Jahr 1901 wurde US-Präsident William McKinley bei einem Attentat zweimal angeschossen. Während eine Kugel nur sein Brustbein streifte, steckte eine andere tief in seinem Unterleib und konnte nicht gefunden werden. Ein besorgter Berater McKinleys beauftragte den Erfinder Thomas Edison, ein Röntgengerät nach Buffalo zu schicken, um die verirrte Kugel zu finden. Das Gerät traf ein, wurde aber nicht benutzt. Der Schuss selbst war zwar nicht tödlich gewesen, doch hatte sich entlang der Schussbahn Wundbrand gebildet, und McKinley starb sechs Tage später an einem septischen Schock infolge einer bakteriellen Infektion. ⓘ

Entdeckte Gefährdungen

Als Wissenschaftler, Ärzte und Erfinder nach ihrer Entdeckung im Jahr 1895 in großem Umfang mit Röntgenstrahlen experimentierten, erschienen in den Fachzeitschriften der damaligen Zeit viele Berichte über Verbrennungen, Haarausfall und Schlimmeres. Im Februar 1896 berichteten Professor John Daniel und Dr. William Lofland Dudley von der Vanderbilt University über Haarausfall, nachdem Dr. Dudley geröntgt worden war. Ein Kind, dem in den Kopf geschossen worden war, wurde 1896 in das Vanderbilt-Labor gebracht. Bevor man versuchte, die Kugel zu finden, wurde ein Experiment durchgeführt, für das sich Dudley "mit seiner charakteristischen Hingabe an die Wissenschaft" zur Verfügung stellte. Daniel berichtete, dass er 21 Tage nach einer Aufnahme von Dudleys Schädel (mit einer Belichtungszeit von einer Stunde) eine kahle Stelle mit einem Durchmesser von 5 cm an dem Teil seines Kopfes bemerkte, der der Röntgenröhre am nächsten lag: "Ein Plattenhalter mit den Platten zur Seite des Schädels hin wurde befestigt und eine Münze zwischen Schädel und Kopf gelegt. Die Röhre wurde auf der anderen Seite in einem Abstand von einem halben Zoll [1,3 cm] von den Haaren befestigt." ⓘ

Im August 1896 erlitt Dr. HD. Hawks, ein Absolvent des Columbia College, bei einer Röntgenvorführung schwere Verbrennungen an Hand und Brust. Dieser Fall wurde in der Electrical Review veröffentlicht und führte zu vielen weiteren Berichten über Probleme im Zusammenhang mit Röntgenstrahlen, die an die Zeitschrift geschickt wurden. Viele Experimentatoren, darunter Elihu Thomson in Edisons Labor, William J. Morton und Nikola Tesla, berichteten ebenfalls von Verbrennungen. Elihu Thomson setzte einen Finger über einen längeren Zeitraum absichtlich einer Röntgenröhre aus und erlitt Schmerzen, Schwellungen und Blasenbildung. Manchmal wurden auch andere Effekte für die Schäden verantwortlich gemacht, darunter ultraviolette Strahlen und (laut Tesla) Ozon. Viele Ärzte behaupteten, dass die Röntgenstrahlung keinerlei Auswirkungen hatte. Am 3. August 1905 starb Elizabeth Fleischman, eine amerikanische Röntgenpionierin, in San Francisco, Kalifornien, an den Komplikationen, die sich aus ihrer Arbeit mit Röntgenstrahlen ergaben. ⓘ

Hall-Edwards erkrankte 1904 an einer Krebserkrankung (damals Röntgendermatitis genannt), die so weit fortgeschritten war, dass er Abhandlungen schrieb und öffentliche Vorträge über die Gefahren von Röntgenstrahlen hielt. Er verlor seinen persönlichen Kampf und sein linker Arm musste 1908 am Ellbogen amputiert werden, und bald darauf auch vier Finger an seinem rechten Arm, so dass nur noch ein Daumen übrig blieb. Er starb 1926 an Krebs. Seine linke Hand wird in der Universität Birmingham aufbewahrt. ⓘ

20. Jahrhundert und darüber hinaus

Ein Patient wird 1940 mit einem Thoraxdurchleuchtungsgerät untersucht, das kontinuierlich bewegte Bilder anzeigt. Dieses Bild wurde verwendet, um zu argumentieren, dass die Strahlenbelastung während des Röntgenverfahrens vernachlässigbar sei. ⓘ

Die zahlreichen Anwendungen von Röntgenstrahlen stießen sofort auf großes Interesse. Werkstätten begannen mit der Herstellung spezieller Versionen von Crookes-Röhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlen, und diese Kaltkathoden- oder Crookes-Röntgenröhren der ersten Generation wurden bis etwa 1920 verwendet. ⓘ

Ein typisches medizinisches Röntgensystem des frühen 20. Jahrhunderts bestand aus einer Ruhmkorff-Spule, die an eine Kaltkathoden-Crookes-Röntgenröhre angeschlossen war. Eine Funkenstrecke wurde in der Regel an die Hochspannungsseite parallel zur Röhre angeschlossen und für Diagnosezwecke verwendet. Die Funkenstrecke ermöglichte es, die Polarität der Funken zu erkennen, die Spannung anhand der Länge der Funken zu messen und so die "Härte" des Vakuums der Röhre zu bestimmen, und sie stellte eine Last für den Fall bereit, dass die Röntgenröhre abgeklemmt wurde. Um die Härte der Röhre zu ermitteln, wurde die Funkenstrecke zunächst auf die weiteste Einstellung geöffnet. Während die Spule in Betrieb war, verringerte der Bediener den Abstand, bis Funken auftraten. Eine Röhre, bei der die Funkenstrecke bei etwa 6,4 Zentimetern zu sprühen begann, galt als weich (niedriges Vakuum) und für dünne Körperteile wie Hände und Arme geeignet. Ein Funken von 13 Zentimetern zeigte an, dass die Röhre für Schultern und Knie geeignet war. Ein 18- bis 23-Zentimeter-Funken würde auf ein höheres Vakuum hindeuten, das für die Abbildung des Bauches größerer Personen geeignet ist. Da die Funkenstrecke parallel zur Röhre geschaltet war, musste die Funkenstrecke so lange geöffnet werden, bis die Funkenbildung aufhörte, um die Röhre für die Bildgebung zu betreiben. Die Belichtungszeit für die Fotoplatten betrug etwa eine halbe Minute für eine Hand und ein paar Minuten für einen Thorax. Die Platten können einen kleinen Zusatz von Fluoreszenzsalz enthalten, um die Belichtungszeit zu verkürzen. ⓘ

Crookes-Röhren waren unzuverlässig. Sie mussten eine kleine Menge Gas (ausnahmslos Luft) enthalten, da in einer solchen Röhre kein Strom fließen kann, wenn sie vollständig evakuiert ist. Im Laufe der Zeit führten die Röntgenstrahlen jedoch dazu, dass das Glas das Gas absorbierte, wodurch die Röhre "härtere" Röntgenstrahlen erzeugte, bis sie bald nicht mehr funktionierte. Größere und häufiger verwendete Röhren wurden mit Vorrichtungen zur Wiederherstellung der Luft, den so genannten "Softenern", ausgestattet. Diese bestanden oft aus einer kleinen Seitenröhre, die ein kleines Stück Glimmer enthielt, ein Mineral, das relativ große Mengen Luft in seiner Struktur einschließt. Ein kleines elektrisches Heizelement erhitzte den Glimmer, so dass er eine kleine Menge Luft abgab und so die Effizienz der Röhre wiederherstellte. Der Glimmer hatte jedoch eine begrenzte Lebensdauer, und der Wiederherstellungsprozess war schwer zu kontrollieren. ⓘ

Im Jahr 1904 erfand John Ambrose Fleming die thermionische Diode, die erste Art von Vakuumröhre. Sie nutzte eine Glühkathode, die in einem Vakuum einen elektrischen Strom fließen ließ. Diese Idee wurde schnell auf Röntgenröhren angewandt, und so ersetzten Heizkathoden-Röntgenröhren, die so genannten "Coolidge-Röhren", um 1920 vollständig die störenden Kaltkathodenröhren. ⓘ

Etwa 1906 entdeckte der Physiker Charles Barkla, dass Röntgenstrahlen an Gasen gestreut werden können und dass jedes Element ein charakteristisches Röntgenspektrum hat. Für diese Entdeckung erhielt er 1917 den Nobelpreis für Physik. ⓘ

Im Jahr 1912 beobachteten Max von Laue, Paul Knipping und Walter Friedrich erstmals die Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen. Diese Entdeckung sowie die frühen Arbeiten von Paul Peter Ewald, William Henry Bragg und William Lawrence Bragg waren die Geburtsstunde der Röntgenkristallographie. ⓘ

1913 führte Henry Moseley kristallografische Experimente mit Röntgenstrahlen durch, die von verschiedenen Metallen ausgingen, und formulierte das Moseley-Gesetz, das die Frequenz der Röntgenstrahlen mit der Ordnungszahl des Metalls in Beziehung setzt. ⓘ

Die Coolidge-Röntgenröhre wurde im selben Jahr von William D. Coolidge erfunden. Sie ermöglichte die kontinuierliche Emission von Röntgenstrahlen. Moderne Röntgenröhren basieren auf dieser Konstruktion, wobei häufig rotierende Targets verwendet werden, die eine wesentlich höhere Wärmeableitung ermöglichen als statische Targets, was wiederum eine höhere Röntgenstrahlungsleistung für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen wie Rotations-CT-Scannern ermöglicht. ⓘ

Die Chandra-Aufnahme des Galaxienhaufens Abell 2125 zeigt einen Komplex aus mehreren massiven Gaswolken von mehreren Millionen Grad Celsius, die gerade miteinander verschmelzen. ⓘ

Die Verwendung von Röntgenstrahlen für medizinische Zwecke (aus der sich die Strahlentherapie entwickelte) wurde von Major John Hall-Edwards in Birmingham, England, eingeführt. Im Jahr 1908 musste ihm der linke Arm amputiert werden, weil sich eine Röntgendermatitis auf seinem Arm ausgebreitet hatte. ⓘ

Auch die Medizin nutzte den Kinofilm zur Untersuchung der menschlichen Physiologie. Im Jahr 1913 wurde in Detroit ein Film gedreht, der ein hartgekochtes Ei im Inneren eines menschlichen Magens zeigte. Dieser frühe Röntgenfilm wurde mit einer Geschwindigkeit von einem Standbild alle vier Sekunden aufgenommen. Dr. Lewis Gregory Cole aus New York war ein Pionier dieser Technik, die er "serielle Radiographie" nannte. Im Jahr 1918 wurden Röntgenstrahlen in Verbindung mit Filmkameras eingesetzt, um das menschliche Skelett in Bewegung zu erfassen. Im Jahr 1920 wurde sie vom Institute of Phonetics in England zur Aufzeichnung der Bewegungen von Zunge und Zähnen bei der Untersuchung von Sprachen eingesetzt. ⓘ

1914 entwickelte Marie Curie einen Röntgenwagen zur Versorgung von Soldaten, die im Ersten Weltkrieg verwundet wurden. Der Wagen sollte eine schnelle Röntgenaufnahme von verwundeten Soldaten ermöglichen, damit die Chirurgen auf dem Schlachtfeld schneller und genauer operieren konnten. ⓘ

Von den frühen 1920er bis in die 1950er Jahre wurden Röntgengeräte zur Unterstützung der Schuhanpassung entwickelt und an kommerzielle Schuhgeschäfte verkauft. In den 1950er Jahren wurden Bedenken hinsichtlich der Auswirkungen einer häufigen oder unzureichend kontrollierten Anwendung geäußert, was dazu führte, dass die Praxis in diesem Jahrzehnt schließlich eingestellt wurde. ⓘ

Das Röntgenmikroskop wurde in den 1950er Jahren entwickelt. ⓘ

Das am 23. Juli 1999 gestartete Chandra-Röntgenobservatorium ermöglicht die Erforschung der sehr heftigen Prozesse im Universum, die Röntgenstrahlen erzeugen. Im Gegensatz zum sichtbaren Licht, das einen relativ stabilen Blick auf das Universum bietet, ist das Röntgenuniversum instabil. Es zeigt Sterne, die von schwarzen Löchern zerrissen werden, galaktische Kollisionen und Novae sowie Neutronensterne, die Plasmaschichten aufbauen, die dann im Weltraum explodieren. ⓘ

Phasenkontrast-Röntgenbild einer Spinne ⓘ

In den 1980er Jahren wurde im Rahmen der strategischen Verteidigungsinitiative der Reagan-Regierung ein Röntgenlaser vorgeschlagen, doch der einzige Test des Geräts (eine Art Laser-"Blaster" oder Todesstrahl, der durch eine thermonukleare Explosion angetrieben wurde) ergab keine schlüssigen Ergebnisse. Aus technischen und politischen Gründen wurde das Gesamtprojekt (einschließlich des Röntgenlasers) nicht weiterverfolgt (obwohl es später von der zweiten Bush-Regierung als National Missile Defense mit anderen Technologien wiederbelebt wurde). ⓘ

Die Phasenkontrast-Röntgenbildgebung bezieht sich auf eine Vielzahl von Techniken, die die Phaseninformation eines Röntgenstrahls zur Bildgestaltung nutzen. Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit gegenüber Dichteunterschieden eignet sie sich besonders für die Darstellung von Weichteilgewebe. Sie hat sich zu einer wichtigen Methode für die Visualisierung zellulärer und histologischer Strukturen in einem breiten Spektrum biologischer und medizinischer Studien entwickelt. Für die Röntgen-Phasenkontrast-Bildgebung werden verschiedene Technologien eingesetzt, die alle auf unterschiedlichen Prinzipien beruhen, um Phasenvariationen in den von einem Objekt ausgehenden Röntgenstrahlen in Intensitätsvariationen umzuwandeln. Dazu gehören der propagationsbasierte Phasenkontrast, die Talbot-Interferometrie, die refraktionsverstärkte Bildgebung und die Röntgeninterferometrie. Diese Methoden bieten einen höheren Kontrast als die normale, auf Absorption basierende Röntgenbildgebung und ermöglichen es, Details voneinander zu unterscheiden, die fast die gleiche Dichte haben. Ein Nachteil ist, dass diese Methoden anspruchsvollere Geräte erfordern, wie Synchrotron- oder Mikrofokus-Röntgenquellen, Röntgenoptiken und hochauflösende Röntgendetektoren. ⓘ

Energiebereiche

Röntgenstrahlen sind Teil des elektromagnetischen Spektrums und haben kürzere Wellenlängen als UV-Licht. Verschiedene Anwendungen nutzen unterschiedliche Teile des Röntgenspektrums. ⓘ

Weiche und harte Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen mit hohen Photonenenergien über 5-10 keV (unter 0,2-0,1 nm Wellenlänge) werden als harte Röntgenstrahlen bezeichnet, während die Strahlen mit geringerer Energie (und größerer Wellenlänge) als weiche Röntgenstrahlen bezeichnet werden. Der Zwischenbereich mit Photonenenergien von einigen keV wird oft als weiche Röntgenstrahlung bezeichnet. Aufgrund ihrer Durchdringungsfähigkeit werden harte Röntgenstrahlen häufig zur Abbildung des Inneren von Objekten verwendet, z. B. in der medizinischen Radiographie und bei der Flughafensicherheit. Der Begriff Röntgen wird metonymisch für ein mit dieser Methode erzeugtes Röntgenbild verwendet, aber auch für die Methode selbst. Da die Wellenlängen harter Röntgenstrahlen der Größe von Atomen entsprechen, eignen sie sich auch für die Bestimmung von Kristallstrukturen in der Röntgenkristallografie. Im Gegensatz dazu wird weiche Röntgenstrahlung in Luft leicht absorbiert; die Schwächungslänge von 600 eV (~2 nm) Röntgenstrahlung in Wasser beträgt weniger als 1 Mikrometer. ⓘ

Gammastrahlen

Es besteht kein Konsens über eine Definition, die zwischen Röntgen- und Gammastrahlen unterscheidet. Eine gängige Praxis ist die Unterscheidung zwischen den beiden Strahlungsarten auf der Grundlage ihrer Quelle: Röntgenstrahlen werden von Elektronen emittiert, während Gammastrahlen vom Atomkern ausgesandt werden. Diese Definition birgt jedoch mehrere Probleme: Diese hochenergetischen Photonen können auch durch andere Prozesse erzeugt werden, und manchmal ist die Art der Erzeugung nicht bekannt. Eine gängige Alternative ist die Unterscheidung von Röntgen- und Gammastrahlung auf der Grundlage der Wellenlänge (oder, äquivalent, der Frequenz oder der Photonenenergie), wobei Strahlung, die kürzer als eine beliebige Wellenlänge ist, z. B. 10-11 m (0,1 Å), als Gammastrahlung definiert wird. Dieses Kriterium ordnet ein Photon einer eindeutigen Kategorie zu, ist aber nur möglich, wenn die Wellenlänge bekannt ist. (Einige Messverfahren unterscheiden nicht zwischen den erkannten Wellenlängen.) Diese beiden Definitionen stimmen jedoch häufig überein, da die von Röntgenröhren ausgesandte elektromagnetische Strahlung im Allgemeinen eine größere Wellenlänge und eine geringere Photonenenergie hat als die von radioaktiven Kernen ausgesandte Strahlung. Gelegentlich wird der eine oder andere Begriff in bestimmten Kontexten aufgrund historischer Präzedenzfälle, aufgrund von Messverfahren (Detektion) oder aufgrund des Verwendungszwecks und nicht aufgrund der Wellenlänge oder der Quelle verwendet. So können Gammastrahlen, die für medizinische und industrielle Zwecke, z. B. die Strahlentherapie, im Bereich von 6-20 MeV erzeugt werden, in diesem Zusammenhang auch als Röntgenstrahlen bezeichnet werden. ⓘ

Eigenschaften

Gefahrensymbol für ionisierende Strahlung ⓘ

Röntgenphotonen haben genug Energie, um Atome zu ionisieren und molekulare Bindungen aufzubrechen. Dies macht sie zu einer Art ionisierender Strahlung und damit schädlich für lebendes Gewebe. Eine sehr hohe Strahlendosis über einen kurzen Zeitraum verursacht die Strahlenkrankheit, während niedrigere Dosen ein erhöhtes Risiko für strahleninduzierten Krebs mit sich bringen können. Bei der medizinischen Bildgebung wird dieses erhöhte Krebsrisiko im Allgemeinen durch den Nutzen der Untersuchung bei weitem aufgewogen. Die ionisierende Wirkung von Röntgenstrahlen kann in der Krebsbehandlung genutzt werden, um bösartige Zellen durch Strahlentherapie abzutöten. Sie wird auch zur Materialcharakterisierung mittels Röntgenspektroskopie eingesetzt. ⓘ

Harte Röntgenstrahlen können relativ dicke Objekte durchdringen, ohne stark absorbiert oder gestreut zu werden. Aus diesem Grund werden Röntgenstrahlen häufig eingesetzt, um das Innere von undurchsichtigen Objekten abzubilden. Die häufigsten Anwendungen finden sich in der medizinischen Radiographie und in Flughafensicherheitsscannern, aber ähnliche Techniken sind auch in der Industrie (z. B. industrielle Radiographie und industrielles CT-Scannen) und in der Forschung (z. B. Kleintier-CT) von Bedeutung. Die Eindringtiefe variiert über das Röntgenspektrum um mehrere Größenordnungen. Dadurch kann die Photonenenergie für die jeweilige Anwendung so eingestellt werden, dass eine ausreichende Transmission durch das Objekt und gleichzeitig ein guter Kontrast im Bild erreicht wird. ⓘ

Röntgenstrahlen haben eine viel kürzere Wellenlänge als sichtbares Licht, was es ermöglicht, Strukturen zu untersuchen, die viel kleiner sind als die, die mit einem normalen Mikroskop gesehen werden können. Diese Eigenschaft wird in der Röntgenmikroskopie genutzt, um hochauflösende Bilder zu erhalten, und auch in der Röntgenkristallographie, um die Positionen von Atomen in Kristallen zu bestimmen. ⓘ

Interaktion mit der Materie

Schwächungslänge von Röntgenstrahlen in Wasser mit der Sauerstoffabsorptionskante bei 540 eV, der Energie-3-Abhängigkeit der Photoabsorption sowie einer Abflachung bei höheren Photonenenergien aufgrund der Compton-Streuung. Die Dämpfungslänge ist für harte Röntgenstrahlen (rechte Hälfte) etwa vier Größenordnungen länger als für weiche Röntgenstrahlen (linke Hälfte). ⓘ

Röntgenstrahlen interagieren mit Materie im Wesentlichen auf drei Arten: durch Photoabsorption, Compton-Streuung und Rayleigh-Streuung. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der Energie der Röntgenstrahlen und der Elementarzusammensetzung des Materials ab, jedoch kaum von den chemischen Eigenschaften, da die Energie der Röntgenphotonen viel höher ist als die chemische Bindungsenergie. Photoabsorption oder photoelektrische Absorption ist der vorherrschende Wechselwirkungsmechanismus im Bereich der weichen Röntgenstrahlung und bei den niedrigeren Energien der harten Röntgenstrahlung. Bei höheren Energien dominiert die Compton-Streuung. ⓘ

Photoelektrische Absorption

Die Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu Z³/E³, wobei Z die Ordnungszahl und E die Energie des einfallenden Photons ist. Diese Regel gilt nicht in der Nähe der Bindungsenergien der Elektronen in der inneren Schale, wo es zu abrupten Änderungen der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit kommt, den so genannten Absorptionskanten. Der allgemeine Trend zu hohen Absorptionskoeffizienten und damit zu geringen Eindringtiefen bei niedrigen Photonenenergien und hohen Ordnungszahlen ist jedoch sehr ausgeprägt. Bei weichem Gewebe dominiert die Photoabsorption bis zu einer Photonenenergie von etwa 26 keV, wo die Compton-Streuung überwiegt. Für Substanzen mit höherer Ordnungszahl liegt diese Grenze höher. Der hohe Anteil an Kalzium (Z = 20) in den Knochen und ihre hohe Dichte sorgen dafür, dass sie auf medizinischen Röntgenbildern so deutlich zu sehen sind. ⓘ

Ein photoabsorbiertes Photon überträgt seine gesamte Energie auf das Elektron, mit dem es wechselwirkt. Dadurch wird das Atom, an das das Elektron gebunden war, ionisiert und ein Photoelektron erzeugt, das wahrscheinlich weitere Atome auf seinem Weg ionisiert. Ein Außenelektron füllt die freie Elektronenposition und erzeugt entweder eine charakteristische Röntgenstrahlung oder ein Auger-Elektron. Diese Effekte können für den Elementnachweis durch Röntgenspektroskopie oder Auger-Elektronenspektroskopie genutzt werden. ⓘ

Compton-Streuung

Die Compton-Streuung ist die vorherrschende Wechselwirkung zwischen Röntgenstrahlen und weichem Gewebe in der medizinischen Bildgebung. Bei der Compton-Streuung handelt es sich um eine inelastische Streuung des Röntgenphotons an einem Elektron der äußeren Schale. Ein Teil der Energie des Photons wird auf das streuende Elektron übertragen, wodurch das Atom ionisiert und die Wellenlänge der Röntgenstrahlung erhöht wird. Das gestreute Photon kann in jede beliebige Richtung gehen, aber eine Richtung, die der ursprünglichen Richtung ähnlich ist, ist wahrscheinlicher, insbesondere bei hochenergetischer Röntgenstrahlung. Die Wahrscheinlichkeit für verschiedene Streuwinkel wird durch die Klein-Nishina-Formel beschrieben. Die übertragene Energie kann aufgrund der Energie- und Impulserhaltung direkt aus dem Streuwinkel ermittelt werden. ⓘ

Rayleigh-Streuung

Rayleigh-Streuung ist der dominierende elastische Streuungsmechanismus im Röntgenbereich. Die inelastische Vorwärtsstreuung führt zum Brechungsindex, der bei Röntgenstrahlen nur knapp unter 1 liegt. ⓘ

Produktion

Wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) mit ausreichender Energie auf ein Material treffen, werden Röntgenstrahlen erzeugt. ⓘ

Erzeugung durch Elektronen

Charakteristische Röntgenemissionslinien für einige gängige Anodenmaterialien.

Anode Material	Atomic Nummer	Photonenenergie [keV]		Wellenlänge [nm] ⓘ
		Kα1	Kβ1	Kα1	Kβ1
W	74	59.3	67.2	0.0209	0.0184
Mo	42	17.5	19.6	0.0709	0.0632
Cu	29	8.05	8.91	0.154	0.139
Ag	47	22.2	24.9	0.0559	0.0497
Ga	31	9.25	10.26	0.134	0.121
Unter	49	24.2	27.3	0.0512	0.455

Spektrum der Röntgenstrahlung einer Röntgenröhre mit einem Rhodium-Target, betrieben bei 60 kV. Die glatte, kontinuierliche Kurve ist auf Bremsstrahlung zurückzuführen, und die Spitzen sind charakteristische K-Linien für Rhodiumatome. ⓘ

Röntgenstrahlen können von einer Röntgenröhre erzeugt werden, einer Vakuumröhre, die eine Hochspannung verwendet, um die von einer Glühkathode freigesetzten Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Hochgeschwindigkeitselektronen prallen auf ein Metalltarget, die Anode, und erzeugen so die Röntgenstrahlen. In medizinischen Röntgenröhren besteht das Target in der Regel aus Wolfram oder einer rissfesteren Legierung aus Rhenium (5 %) und Wolfram (95 %), manchmal aber auch aus Molybdän für speziellere Anwendungen, z. B. wenn weichere Röntgenstrahlen benötigt werden, wie bei der Mammographie. In der Kristallographie ist ein Kupfertarget am gebräuchlichsten, wobei Kobalt oft verwendet wird, wenn die Fluoreszenz des Eisengehalts in der Probe ansonsten ein Problem darstellen könnte. ⓘ

Die maximale Energie des erzeugten Röntgenphotons ist durch die Energie des auftreffenden Elektrons begrenzt, die gleich der Spannung an der Röhre mal der Elektronenladung ist, so dass eine 80-kV-Röhre keine Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 80 keV erzeugen kann. Wenn die Elektronen auf das Target treffen, wird die Röntgenstrahlung durch zwei verschiedene atomare Prozesse erzeugt:

1. Charakteristische Röntgenemission (Röntgenelektrolumineszenz): Wenn das Elektron genügend Energie hat, kann es ein Orbitalelektron aus der inneren Elektronenschale des Zielatoms herausschlagen. Daraufhin füllen Elektronen aus höheren Energieniveaus die Leerstellen auf, und es werden Röntgenphotonen emittiert. Dieser Prozess erzeugt ein Emissionsspektrum von Röntgenstrahlen bei einigen diskreten Frequenzen, die manchmal als Spektrallinien bezeichnet werden. In der Regel handelt es sich um Übergänge von den oberen Schalen zur K-Schale (K-Linien genannt), zur L-Schale (L-Linien genannt) und so weiter. Handelt es sich um einen Übergang von 2p zu 1s, wird er Kα genannt, bei einem Übergang von 3p zu 1s handelt es sich um Kβ. Die Frequenzen dieser Linien hängen vom Material des Targets ab und werden daher als charakteristische Linien bezeichnet. Die Kα-Linie hat in der Regel eine höhere Intensität als die Kβ-Linie und ist bei Beugungsexperimenten erwünscht. Daher wird die Kβ-Linie durch einen Filter herausgefiltert. Der Filter besteht in der Regel aus einem Metall, das ein Proton weniger hat als das Anodenmaterial (z. B. Ni-Filter für Cu-Anode oder Nb-Filter für Mo-Anode).
2. Bremsstrahlung: Dies ist die Strahlung, die von den Elektronen abgegeben wird, wenn sie durch das starke elektrische Feld in der Nähe der Kerne mit hoher Z-Zahl (Protonenzahl) gestreut werden. Diese Röntgenstrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum. Die Frequenz der Bremsstrahlung wird durch die Energie der einfallenden Elektronen begrenzt. ⓘ

Die resultierende Leistung einer Röhre besteht also aus einem kontinuierlichen Bremsstrahlungsspektrum, das bei der Röhrenspannung auf Null abfällt, und mehreren Spitzen an den charakteristischen Linien. Die in diagnostischen Röntgenröhren verwendeten Spannungen reichen von etwa 20 kV bis 150 kV und damit auch die höchsten Energien der Röntgenphotonen von etwa 20 keV bis 150 keV. ⓘ

Beide Verfahren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung sind ineffizient, da nur etwa ein Prozent der von der Röhre verbrauchten elektrischen Energie in Röntgenstrahlung umgewandelt wird und somit der größte Teil des von der Röhre verbrauchten Stroms als Abwärme freigesetzt wird. Um einen brauchbaren Röntgenstrahlungsfluss zu erzeugen, muss die Röntgenröhre so konstruiert sein, dass sie die überschüssige Wärme ableitet. ⓘ

Eine spezielle Röntgenstrahlungsquelle, die in der Forschung immer häufiger eingesetzt wird, ist die Synchrotronstrahlung, die von Teilchenbeschleunigern erzeugt wird. Ihre einzigartigen Merkmale sind eine um viele Größenordnungen höhere Röntgenleistung als die von Röntgenröhren, ein breites Röntgenspektrum, eine hervorragende Kollimation und eine lineare Polarisation. ⓘ

Kurze, nanosekundenlange Ausbrüche von Röntgenstrahlen mit einer Spitzenenergie von 15 keV können zuverlässig erzeugt werden, wenn druckempfindliches Klebeband in einem moderaten Vakuum von seiner Unterlage abgezogen wird. Dies ist wahrscheinlich das Ergebnis der Rekombination von elektrischen Ladungen, die durch triboelektrische Aufladung erzeugt werden. Die Intensität der Röntgentribolumineszenz reicht aus, um sie als Quelle für die Röntgenbildgebung zu nutzen. ⓘ

Erzeugung durch Protonen oder andere positive Ionen

Auch bei Abbremsung schneller positiver Ionen in Materie entsteht charakteristische Röntgenstrahlung. Dies wird bei teilcheninduzierter Röntgenemission (Particle-induced X-ray emission) oder protoneninduzierter Röntgenemission (Proton-induced X-ray emission) (PIXE) zur chemischen Analyse verwendet. Bei hohen Energien ist der Wirkungsquerschnitt zur Erzeugung zu Z₁²Z₂⁻⁴ proportional, wobei Z₁ die Ordnungszahl des Ions (als Projektil) bedeutet, Z₂ die des Targetatoms. Dieselbe Publikation gibt auch einen Überblick über die Wirkungsquerschnitte zur Erzeugung. ⓘ

Produktion bei Blitzentladungen und Laborentladungen

Röntgenstrahlen werden auch bei Blitzen erzeugt, die terrestrische Gammastrahlenblitze begleiten. Der zugrunde liegende Mechanismus ist die Beschleunigung von Elektronen in blitzbedingten elektrischen Feldern und die anschließende Erzeugung von Photonen durch Bremsstrahlung. Dabei entstehen Photonen mit Energien von einigen wenigen keV und einigen zehn MeV. Bei Laborentladungen mit einer Spaltgröße von etwa 1 Meter Länge und einer Spitzenspannung von 1 MV werden Röntgenstrahlen mit einer charakteristischen Energie von 160 keV beobachtet. Eine mögliche Erklärung ist das Zusammentreffen von zwei Streamern und die Erzeugung hochenergetischer Durchlaufelektronen; mikroskopische Simulationen haben jedoch gezeigt, dass die Dauer der Verstärkung des elektrischen Feldes zwischen zwei Streamern zu kurz ist, um eine signifikante Anzahl von Durchlaufelektronen zu erzeugen. Kürzlich wurde vorgeschlagen, dass Luftstörungen in der Nähe von Streamern die Erzeugung von Runaway-Elektronen und damit von Röntgenstrahlen aus Entladungen erleichtern können. ⓘ

Röntgenstrahlung, die auf anderen Himmelskörpern entsteht, erreicht die Erdoberfläche nicht, weil sie durch die Atmosphäre abgeschirmt wird. Die Röntgenastronomie untersucht solche extraterrestrische Röntgenstrahlung mithilfe von Röntgensatelliten wie Chandra und XMM-Newton. ⓘ

Detektoren

Röntgendetektoren unterscheiden sich in Form und Funktion je nach ihrem Zweck. Bildgebende Detektoren, wie sie in der Radiographie verwendet werden, basierten ursprünglich auf Fotoplatten und später auf Fotofilmen, sind aber inzwischen weitgehend durch verschiedene digitale Detektortypen wie Bildplatten und Flachdetektoren ersetzt worden. Im Strahlenschutz wird die unmittelbare Gefährdung durch die Strahlung häufig mit Ionisationskammern bewertet, während Dosimeter zur Messung der Strahlendosis, der eine Person ausgesetzt war, verwendet werden. Röntgenspektren können entweder mit energiedispersiven oder wellenlängendispersiven Spektrometern gemessen werden. Für Röntgenbeugungsanwendungen, wie z. B. die Röntgenkristallographie, werden häufig hybride Photonenzählungsdetektoren verwendet. ⓘ

Medizinische Anwendungen

Patientin bei einer Röntgenuntersuchung in einem radiologischen Raum eines Krankenhauses. ⓘ

Röntgenaufnahme des Brustkorbs einer Frau, die eine Hiatushernie aufweist ⓘ

Seit Röntgens Entdeckung, dass Röntgenstrahlen Knochenstrukturen erkennen können, werden Röntgenstrahlen für die medizinische Bildgebung eingesetzt. Die erste medizinische Anwendung erfolgte weniger als einen Monat nach seiner Veröffentlichung zu diesem Thema. Bis zum Jahr 2010 wurden weltweit fünf Milliarden medizinische Bildgebungsuntersuchungen durchgeführt. Die Strahlenbelastung durch medizinische Bildgebung machte im Jahr 2006 etwa 50 % der gesamten ionisierenden Strahlenbelastung in den Vereinigten Staaten aus. ⓘ

Projizierende Röntgenbilder

Einfache Röntgenaufnahme des rechten Knies ⓘ

Bei der Projektionsradiographie werden zweidimensionale Bilder mit Hilfe von Röntgenstrahlen erzeugt. Knochen enthalten eine hohe Konzentration an Kalzium, das aufgrund seiner relativ hohen Ordnungszahl Röntgenstrahlen effizient absorbiert. Dadurch wird die Menge der Röntgenstrahlung, die den Detektor im Schatten der Knochen erreicht, reduziert, so dass diese auf dem Röntgenbild deutlich sichtbar sind. Auch die Lunge und das eingeschlossene Gas sind aufgrund der geringeren Absorption im Vergleich zum Gewebe deutlich zu erkennen, während die Unterschiede zwischen den Gewebetypen schwerer zu erkennen sind. ⓘ

Projektionsröntgenbilder sind nützlich für die Erkennung von Pathologien des Skelettsystems sowie für die Erkennung einiger Krankheitsprozesse im Weichgewebe. Einige bemerkenswerte Beispiele sind die weit verbreitete Röntgenaufnahme des Brustkorbs, mit der Lungenkrankheiten wie Lungenentzündung, Lungenkrebs oder Lungenödeme erkannt werden können, und die Röntgenaufnahme des Abdomens, mit der ein Darmverschluss, freie Luft (bei Perforationen der Eingeweide) und freie Flüssigkeit (bei Aszites) festgestellt werden kann. Röntgenaufnahmen können auch dazu dienen, pathologische Veränderungen wie Gallensteine (die selten röntgendicht sind) oder Nierensteine zu erkennen, die oft (aber nicht immer) sichtbar sind. Herkömmliche Röntgenbilder sind für die Darstellung von Weichteilen wie dem Gehirn oder den Muskeln weniger nützlich. Ein Bereich, in dem projektive Röntgenbilder häufig eingesetzt werden, ist die Beurteilung der Lage eines orthopädischen Implantats, wie z. B. eines Knie-, Hüft- oder Schulterersatzes, im Körper im Verhältnis zum umgebenden Knochen. Dies kann anhand von einfachen Röntgenbildern zweidimensional beurteilt werden, oder es kann dreidimensional beurteilt werden, wenn eine Technik namens "2D-zu-3D-Registrierung" verwendet wird. Diese Technik soll Projektionsfehler ausschließen, die bei der Beurteilung der Implantatposition anhand von einfachen Röntgenbildern auftreten. ⓘ

Die zahnärztliche Röntgenuntersuchung wird häufig bei der Diagnose von häufigen oralen Problemen wie Karies eingesetzt. ⓘ

Bei medizinisch-diagnostischen Anwendungen sind die niederenergetischen (weichen) Röntgenstrahlen unerwünscht, da sie vom Körper vollständig absorbiert werden und die Strahlendosis erhöhen, ohne zum Bild beizutragen. Daher wird in der Regel ein dünnes Metallblech, oft aus Aluminium, ein so genannter Röntgenfilter, über das Fenster der Röntgenröhre gelegt, der den niederenergetischen Teil des Spektrums absorbiert. Dies wird als Aufhärtung des Strahls bezeichnet, da sich die Mitte des Spektrums zu den höherenergetischen (oder härteren) Röntgenstrahlen verschiebt. ⓘ

Zur Erstellung eines Bildes des kardiovaskulären Systems, einschließlich der Arterien und Venen (Angiographie), wird ein erstes Bild der anatomischen Region von Interesse aufgenommen. Ein zweites Bild wird dann von derselben Region aufgenommen, nachdem ein jodhaltiges Kontrastmittel in die Blutgefäße in diesem Bereich injiziert wurde. Diese beiden Bilder werden dann digital subtrahiert, so dass nur das jodhaltige Kontrastmittel übrig bleibt, das die Blutgefäße abbildet. Der Radiologe oder Chirurg vergleicht dann das erhaltene Bild mit normalen anatomischen Bildern, um festzustellen, ob eine Beschädigung oder Verstopfung des Gefäßes vorliegt. ⓘ

Computertomographie

CT-Schichtaufnahme des Kopfes (transversale Ebene) - eine moderne Anwendung der medizinischen Radiographie ⓘ

Die Computertomographie (CT) ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, bei dem aus einer großen Serie von zweidimensionalen Röntgenaufnahmen, die in verschiedenen Richtungen gemacht werden, tomographische Bilder oder Schnitte von bestimmten Körperbereichen erstellt werden. Diese Querschnittsbilder können zu einem dreidimensionalen Bild des Körperinneren zusammengesetzt und für diagnostische und therapeutische Zwecke in verschiedenen medizinischen Disziplinen verwendet werden. ⓘ

Durchleuchtung

Die Fluoroskopie ist ein bildgebendes Verfahren, das üblicherweise von Ärzten oder Strahlentherapeuten eingesetzt wird, um mit Hilfe eines Fluoroskops bewegte Echtzeitbilder der inneren Strukturen eines Patienten zu erhalten. In seiner einfachsten Form besteht ein Fluoroskop aus einer Röntgenquelle und einem fluoreszierenden Bildschirm, zwischen denen ein Patient platziert wird. Moderne Fluoroskope koppeln jedoch den Bildschirm mit einem Röntgenbildverstärker und einer CCD-Videokamera, so dass die Bilder aufgezeichnet und auf einem Monitor wiedergegeben werden können. Bei dieser Methode kann ein Kontrastmittel verwendet werden. Beispiele hierfür sind die Herzkatheteruntersuchung (zur Erkennung von Verstopfungen der Herzkranzgefäße) und der Barium-Schluck (zur Erkennung von Speiseröhren- und Schluckbeschwerden). ⓘ

Strahlentherapie

Der Einsatz von Röntgenstrahlen zur Behandlung ist als Strahlentherapie bekannt und wird hauptsächlich zur Behandlung (einschließlich Palliation) von Krebserkrankungen eingesetzt; dabei sind höhere Strahlendosen erforderlich als bei der reinen Bildgebung. Röntgenstrahlen werden zur Behandlung von Hautkrebs eingesetzt, wobei Röntgenstrahlen mit geringerer Energie verwendet werden, während Strahlen mit höherer Energie zur Behandlung von Krebserkrankungen im Körperinneren wie Gehirn, Lunge, Prostata und Brust eingesetzt werden. ⓘ

Unerwünschte Wirkungen

Röntgenaufnahme des Unterleibs einer schwangeren Frau, ein Verfahren, das nur nach angemessener Abwägung von Nutzen und Risiko durchgeführt werden sollte ⓘ

Diagnostische Röntgenstrahlen (vor allem bei CT-Scans aufgrund der hohen Dosis) erhöhen das Risiko von Entwicklungsstörungen und Krebs bei den Betroffenen. Röntgenstrahlen werden sowohl von der Internationalen Agentur für Krebsforschung der Weltgesundheitsorganisation als auch von der US-Regierung als krebserregend eingestuft. Man schätzt, dass 0,4 % der derzeitigen Krebserkrankungen in den Vereinigten Staaten auf Computertomographien (CT) zurückzuführen sind, die in der Vergangenheit durchgeführt wurden, und dass diese Zahl bei der CT-Nutzung im Jahr 2007 auf 1,5-2 % ansteigen könnte. ⓘ

Experimentelle und epidemiologische Daten stützen derzeit nicht die These, dass es eine Schwellendosis von Strahlung gibt, unterhalb derer kein erhöhtes Krebsrisiko besteht. Dies wird jedoch zunehmend in Zweifel gezogen. Es wird geschätzt, dass die zusätzliche Strahlung durch diagnostische Röntgenstrahlen das kumulative Krebsrisiko einer durchschnittlichen Person bis zum Alter von 75 Jahren um 0,6-3,0 % erhöht. Die Menge der absorbierten Strahlung hängt von der Art der Röntgenuntersuchung und dem betroffenen Körperteil ab. CT und Fluoroskopie sind mit einer höheren Strahlendosis verbunden als einfache Röntgenaufnahmen. ⓘ

Um das erhöhte Risiko ins rechte Licht zu rücken: Eine einfache Röntgenaufnahme des Brustkorbs setzt eine Person 10 Tage lang täglich der gleichen Menge an Hintergrundstrahlung aus, der die Menschen (je nach Standort) ausgesetzt sind, während die Exposition bei einer Röntgenaufnahme des Zahns ungefähr einem Tag an Hintergrundstrahlung entspricht. Jede dieser Röntgenaufnahmen würde das lebenslange Krebsrisiko um weniger als 1 pro 1.000.000 erhöhen. Eine Computertomographie des Bauches oder der Brust entspräche einer Hintergrundstrahlung von 2 bis 3 Jahren für den ganzen Körper oder von 4 bis 5 Jahren für den Bauch oder die Brust, was das lebenslange Krebsrisiko um 1 pro 1.000 bis 1 pro 10.000 erhöht. Zum Vergleich: Die Wahrscheinlichkeit, dass ein US-Bürger im Laufe seines Lebens an Krebs erkrankt, liegt bei etwa 40 %. Die effektive Dosis für den Rumpf bei einer CT-Untersuchung des Brustkorbs beträgt beispielsweise etwa 5 mSv und die Energiedosis etwa 14 mGy. Eine CT-Untersuchung des Kopfes (1,5 mSv, 64 mGy), die einmal mit und einmal ohne Kontrastmittel durchgeführt wird, würde einer 40-jährigen Hintergrundstrahlung des Kopfes entsprechen. Eine genaue Schätzung der effektiven Dosis durch CT ist schwierig, da die Schätzungsunsicherheit je nach Methode zwischen ±19 % und ±32 % für Kopfscans bei Erwachsenen liegt. ⓘ

Bei schwangeren Patientinnen sollte daher der Nutzen der Untersuchung (Röntgen) gegen die möglichen Gefahren für den Fötus abgewogen werden. In den USA werden jährlich schätzungsweise 62 Millionen CT-Untersuchungen durchgeführt, davon mehr als 4 Millionen bei Kindern. Die Vermeidung unnötiger Röntgenaufnahmen (insbesondere CT-Scans) verringert die Strahlendosis und das damit verbundene Krebsrisiko. ⓘ

Medizinische Röntgenstrahlen sind eine bedeutende Quelle der vom Menschen verursachten Strahlenbelastung. Im Jahr 1987 machten sie 58 % der vom Menschen verursachten Strahlenbelastung in den Vereinigten Staaten aus. Da die vom Menschen verursachten Quellen nur 18 % der gesamten Strahlenexposition ausmachten, von denen der größte Teil (82 %) aus natürlichen Quellen stammte, machten medizinische Röntgenstrahlen nur 10 % der gesamten amerikanischen Strahlenexposition aus; medizinische Verfahren insgesamt (einschließlich Nuklearmedizin) machten 14 % der gesamten Strahlenexposition aus. Im Jahr 2006 war die Belastung durch ionisierende Strahlung bei medizinischen Verfahren in den Vereinigten Staaten jedoch wesentlich höher als in den frühen 1980er Jahren. Im Jahr 2006 machte die medizinische Exposition fast die Hälfte der gesamten Strahlenbelastung der US-Bevölkerung aus allen Quellen aus. Der Anstieg ist auf die zunehmende Anwendung medizinischer Bildgebungsverfahren, insbesondere der Computertomographie (CT), und auf den zunehmenden Einsatz der Nuklearmedizin zurückzuführen. ⓘ

Die durch zahnärztliche Röntgenstrahlen verursachte Dosis ist je nach Verfahren und Technologie (Film oder digital) sehr unterschiedlich. Je nach Verfahren und Technologie führt eine einzelne zahnärztliche Röntgenaufnahme eines Menschen zu einer Exposition von 0,5 bis 4 mrem. Eine Serie von Röntgenaufnahmen des gesamten Mundes kann zu einer Exposition von bis zu 6 (digital) bis 18 (Film) mrem führen, was einem Jahresdurchschnitt von bis zu 40 mrem entspricht. ⓘ

Es hat sich gezeigt, dass finanzielle Anreize einen erheblichen Einfluss auf die Nutzung von Röntgenbildern haben: Ärzte, die für jedes Röntgenbild eine gesonderte Gebühr erhalten, machen mehr Röntgenaufnahmen. ⓘ

Die frühe Photonentomographie oder EPT (Stand 2015) wird zusammen mit anderen Techniken als mögliche Alternative zu Röntgenstrahlen für bildgebende Anwendungen erforscht. ⓘ

Andere Verwendungen

Andere bemerkenswerte Anwendungen von Röntgenstrahlen sind:

Jeder Punkt, eine so genannte Reflexion, in diesem Beugungsmuster entsteht durch die konstruktive Interferenz gestreuter Röntgenstrahlen, die einen Kristall durchdringen. Die Daten können zur Bestimmung der Kristallstruktur verwendet werden. ⓘ

• Röntgenkristallographie, bei der das Muster, das durch die Beugung von Röntgenstrahlen durch das eng beieinander liegende Atomgitter eines Kristalls entsteht, aufgezeichnet und anschließend analysiert wird, um die Beschaffenheit dieses Gitters zu ermitteln. Eine verwandte Technik, die Faserbeugung, wurde von Rosalind Franklin zur Entdeckung der Doppelhelixstruktur der DNA eingesetzt.
• Röntgenastronomie, ein Beobachtungszweig der Astronomie, der sich mit der Untersuchung der Röntgenstrahlung von Himmelsobjekten befasst.
• Röntgenmikroskopische Analyse, die elektromagnetische Strahlung im weichen Röntgenbereich nutzt, um Bilder von sehr kleinen Objekten zu erzeugen.
• Röntgenfluoreszenz, eine Technik, bei der Röntgenstrahlen in einer Probe erzeugt und nachgewiesen werden. Anhand der ausgehenden Energie der Röntgenstrahlen kann die Zusammensetzung der Probe ermittelt werden.
• Bei der industriellen Radiographie werden Röntgenstrahlen zur Prüfung von Industrieteilen, insbesondere von Schweißnähten, eingesetzt.
• Röntgenaufnahmen von Kulturgütern, meist Röntgenaufnahmen von Gemälden, um Unterzeichnungen, Pentimenti, die während der Malerei oder durch spätere Restauratoren verändert wurden, und manchmal auch frühere Gemälde auf dem Träger zu erkennen. Viele Pigmente, wie z. B. Bleiweiß, sind in Röntgenbildern gut zu erkennen.
• Die Röntgenspektromikroskopie wurde zur Analyse der Reaktionen von Pigmenten in Gemälden eingesetzt. Zum Beispiel bei der Analyse des Farbabbaus in den Gemälden von van Gogh. ⓘ

Einsatz von Röntgenstrahlen zur Inspektion und Qualitätskontrolle: Die Unterschiede in den Strukturen des Chips und der Bonddrähte entlarven den linken Chip als Fälschung. ⓘ

• Echtheitsprüfung und Qualitätskontrolle von verpackten Produkten.
• Industrielle CT (Computertomographie), ein Verfahren, bei dem mit Hilfe von Röntgengeräten dreidimensionale Darstellungen von Bauteilen sowohl von außen als auch von innen erstellt werden. Dies wird durch die Computerverarbeitung von Projektionsbildern des gescannten Objekts in viele Richtungen erreicht.
• Die Gepäckscanner der Flughafensicherheit verwenden Röntgenstrahlen, um das Innere des Gepäcks vor dem Verladen ins Flugzeug auf Sicherheitsrisiken zu überprüfen.
• Lkw-Scanner für die Grenzkontrolle und Polizeidienststellen im Inland verwenden Röntgenstrahlen für die Inspektion des Lkw-Innenraums. ⓘ

Röntgenkunstfotografie von Nadelfischen von Peter Dazeley ⓘ

• Röntgenkunst und Kunstfotografie, künstlerische Verwendung von Röntgenstrahlen, zum Beispiel die Werke von Stane Jagodič
• Röntgen-Haarentfernung, eine in den 1920er Jahren beliebte Methode, die heute von der FDA verboten ist.
• In den 1920er Jahren wurden schuhangepasste Fluoroskope eingeführt, die in den 1960er Jahren in den USA, in den 1970er Jahren im Vereinigten Königreich und später in Kontinentaleuropa verboten wurden.
• Die Röntgen-Stereophotogrammetrie wird verwendet, um die Bewegung von Knochen anhand der Implantation von Markern zu verfolgen.
• Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie ist ein chemisches Analyseverfahren, das auf dem photoelektrischen Effekt beruht und normalerweise in der Oberflächenforschung eingesetzt wird.
• Bei der Strahlenimplosion wird hochenergetische Röntgenstrahlung, die bei einer Spaltungsexplosion (A-Bombe) entsteht, verwendet, um den Kernbrennstoff bis zur Fusionszündung (H-Bombe) zu verdichten. ⓘ

Sichtbarkeit

Obwohl Röntgenstrahlen im Allgemeinen als unsichtbar für das menschliche Auge gelten, können sie unter bestimmten Umständen sichtbar sein. Brandes berichtete in einem Experiment kurz nach Röntgens bahnbrechender Arbeit von 1895, dass er nach der Anpassung an die Dunkelheit und nachdem er sein Auge nahe an eine Röntgenröhre gehalten hatte, ein schwaches "blaugraues" Leuchten sah, das aus dem Auge selbst zu kommen schien. Als Röntgen dies hörte, überprüfte er seine Aufzeichnungen und stellte fest, dass auch er diesen Effekt gesehen hatte. Als er eine Röntgenröhre auf der gegenüberliegenden Seite einer Holztür anbrachte, stellte Röntgen das gleiche blaue Leuchten fest, das vom Auge selbst auszugehen schien, hielt seine Beobachtungen aber für falsch, weil er den Effekt nur bei einem bestimmten Röhrentyp sah. Später stellte er fest, dass die Röhre, die den Effekt hervorgerufen hatte, die einzige war, die stark genug war, um das Leuchten deutlich sichtbar zu machen, und das Experiment war danach leicht wiederholbar. Das Wissen, dass Röntgenstrahlen für das an die Dunkelheit angepasste bloße Auge tatsächlich schwach sichtbar sind, ist heute weitgehend in Vergessenheit geraten; dies ist wahrscheinlich auf den Wunsch zurückzuführen, das Experiment, das heute als leichtsinnig gefährlich und potenziell schädlich für ionisierende Strahlung angesehen würde, nicht zu wiederholen. Es ist nicht bekannt, welcher genaue Mechanismus im Auge die Sichtbarkeit erzeugt: Sie könnte auf konventionellem Nachweis (Anregung von Rhodopsin-Molekülen in der Netzhaut), direkter Anregung von Nervenzellen der Netzhaut oder sekundärem Nachweis beruhen, z. B. durch Röntgeninduktion von Phosphoreszenz im Augapfel mit konventionellem Netzhautnachweis des sekundär erzeugten sichtbaren Lichts. ⓘ

Obwohl Röntgenstrahlen sonst unsichtbar sind, ist es möglich, die Ionisierung der Luftmoleküle zu sehen, wenn die Intensität des Röntgenstrahls hoch genug ist. Die Beamline des Wigglers am ID11 in der Europäischen Synchrotronstrahlungsanlage ist ein Beispiel für eine solche hohe Intensität. ⓘ

Julius Edgar Lilienfeld beschrieb 1919 erstmals eine für das menschliche Auge sichtbare grau-weiße Strahlung an der Anode von Röntgenröhren, die nach ihm benannte „Lilienfeldstrahlung“. Ihr Ursprung konnte erst in späteren Jahren als Form der Übergangsstrahlung erklärt werden. ⓘ

Maßeinheiten und Exposition

Das Maß für die Ionisierungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird als Exposition bezeichnet:

• Das Coulomb pro Kilogramm (C/kg) ist die SI-Einheit für die Belastung durch ionisierende Strahlung und gibt die Strahlungsmenge an, die erforderlich ist, um in einem Kilogramm Materie ein Coulomb an Ladung jeder Polarität zu erzeugen.
• Das Röntgen (R) ist eine veraltete traditionelle Einheit für die Strahlenbelastung, die die Strahlungsmenge angibt, die erforderlich ist, um eine elektrostatische Ladungseinheit jeder Polarität in einem Kubikzentimeter trockener Luft zu erzeugen. 1 Röntgen = 2,58×10-4 C/kg. ⓘ

Die Wirkung ionisierender Strahlung auf Materie (insbesondere lebendes Gewebe) hängt jedoch eher mit der Menge der in sie eingebrachten Energie als mit der erzeugten Ladung zusammen. Dieses Maß für die absorbierte Energie wird als Energiedosis bezeichnet:

• Das Gray (Gy) mit der Einheit (Joule/Kilogramm) ist die SI-Einheit der absorbierten Dosis und bezeichnet die Strahlungsmenge, die erforderlich ist, um ein Joule Energie in einem Kilogramm einer beliebigen Materie zu deponieren.
• Das Rad ist die (veraltete) entsprechende traditionelle Einheit, die 10 Millijoule Energie pro Kilogramm entspricht. 100 rad = 1 grau. ⓘ

Die Äquivalentdosis ist das Maß für die biologische Wirkung von Strahlung auf menschliches Gewebe. Bei Röntgenstrahlen ist sie gleich der absorbierten Dosis.

• Das Röntgenäquivalent (rem) ist die traditionelle Einheit der Äquivalentdosis. Bei Röntgenstrahlen entspricht sie dem Rad oder, anders ausgedrückt, 10 Millijoule der pro Kilogramm abgegebenen Energie. 100 rem = 1 Sv.
• Das Sievert (Sv) ist die SI-Einheit der Äquivalentdosis und auch der effektiven Dosis. Bei Röntgenstrahlen ist die "Äquivalentdosis" numerisch gleich einem Gray (Gy). 1 Sv = 1 Gy. Für die "effektive Dosis" von Röntgenstrahlen ist sie in der Regel nicht gleich dem Gray (Gy). ⓘ

Ionisierende Strahlung bezogene Größen ansehen ‧ sprechen ‧ bearbeiten

Menge	Einheit	Symbol	Ableitung	Jahr	SI-Äquivalenz ⓘ
Tätigkeit (A)	Becquerel	Bq	s-1	1974	SI-Einheit
	curie	Ci	3.7 × 1010 s-1	1953	3,7×1010 Bq
	rutherford	Rd	106 s-1	1946	1.000.000 Bq
Exposition (X)	Coulomb pro Kilogramm	C/kg	C⋅kg-1 der Luft	1974	SI-Einheit
	röntgen	R	esu / 0,001293 g Luft	1928	2,58 × 10-4 C/kg
Energiedosis (D)	grau	Gy	J⋅kg-1	1974	SI-Einheit
	erg pro Gramm	erg/g	erg⋅g-1	1950	1,0 × 10-4 Gy
	rad	rad	100 erg⋅g-1	1953	0,010 Gy
Äquivalentdosis (H)	sievert	Sv	J⋅kg-1 × WR	1977	SI-Einheit
	röntgenäquivalenter Mann	rem	100 erg⋅g-1 x WR	1971	0,010 Sv
Effektive Dosis (E)	sievert	Sv	J⋅kg-1 × WR × WT	1977	SI-Einheit
	röntgenäquivalenter Mann	rem	100 erg⋅g-1 × WR × WT	1971	0,010 Sv

Einordnung im elektromagnetischen Spektrum

Das Spektrum der Röntgenstrahlung beginnt unterhalb der extremen UV-Strahlung bei einer Wellenlänge um 10 nm (überweiche Röntgenstrahlung) und reicht bis weniger als 5 pm hinab (überharte oder hochenergetische Röntgenstrahlung). Die Energiebereiche der Gamma- und Röntgenstrahlung überschneiden sich in einem weiten Bereich. Beide Strahlungsarten sind elektromagnetische Strahlung und haben daher bei gleicher Energie die gleichen Wirkungen. ⓘ

Das in Röntgenröhren (siehe unten) erzeugte Strahlungsspektrum ist eine Überlagerung eines kontinuierlichen mit einem diskreten Spektrum. Die Lage des Intensitätsmaximums hängt von der Betriebsspannung der Röhre ab. Die minimale Wellenlänge kann mit dem Duane-Hunt-Gesetz berechnet werden. Photonen aus Röntgenröhren haben eine Energie von etwa 1 keV bis 250 keV, entsprechend einer Frequenz von etwa 0,25·10¹⁸ Hz bis 60·10¹⁸ Hz (Exa-Hertz). Im kurzwelligen Bereich existiert keine einheitliche Definition der Grenzwellenlänge. Allerdings sind der Erzeugung immer kurzwelligerer Röntgenstrahlung technische Grenzen gesetzt. ⓘ

Wechselwirkung mit Materie

Biologische Wirkung

Röntgenaufnahme der linken Hand eines 10-Jährigen mit sechs Fingern (Hexadaktylie) ⓘ

Röntgenstrahlung ist ionisierend. Sie kann dadurch Veränderungen im lebenden Organismus hervorrufen und Schäden bis hin zu Krebs verursachen. Deshalb ist beim Umgang mit der Strahlung der Strahlenschutz zu beachten. In der Frühzeit der Radiologie waren diese Effekte zunächst noch nicht bekannt, so dass mehrere Ärzte und Forscher erkrankten bzw. verstarben. Die Missachtung dieser Tatsache führte aber auch später, zum Beispiel bei Militärangehörigen, die in den 1950er bis zu den 1980er Jahren an mangelhaft abgeschirmten Radargeräten Dienst taten, zu Gesundheitsschäden, da die Geräte als Nebenprodukt auch Röntgenstrahlung abgaben (siehe dazu: Gesundheitsschäden durch militärische Radaranlagen). Es gibt eine entsprechende Stellungnahme des Ärztlichen Sachverständigenbeirats „Berufskrankheiten“ beim deutschen Bundesministerium für Arbeit und Soziales. ⓘ

Die empfindliche Struktur für die Entstehung von Krebs ist die Erbsubstanz (DNS). Dabei wird von einem linearen Anstieg der Schäden mit der Dosis ausgegangen, das heißt, auch eine sehr kleine Strahlendosis birgt ein von Null verschiedenes Risiko, Krebs hervorzurufen. Dieses Risiko ist jeweils abzuwägen gegen die Vorteile der medizinischen Diagnose oder Therapie mittels Röntgenstrahlung. ⓘ

Nachweis

• Lumineszenzeffekt. Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtabgabe an („Fluoreszenz“). Dieser Effekt wird auch bei der radiologischen Bilderzeugung genutzt. Medizinische Röntgenfilme enthalten meistens eine fluoreszierende Folie, die bei Auftreffen eines Röntgenphotons Licht aussendet und die umliegende lichtempfindliche Fotoemulsion belichtet.
• Photographischer Effekt. Röntgenstrahlen können ebenso wie Licht fotografische Filme direkt schwärzen. Ohne eine fluoreszierende Folie wird eine etwa 10- bis 20-fach höhere Intensität benötigt. Der Vorteil liegt in der größeren Schärfe des aufgenommenen Bildes.
• Einzelne Röntgenphotonen werden mit Szintillationszählern oder Geigerzählern nachgewiesen.
• In Halbleiter-Dioden (Halbleiterdetektoren) erzeugen die Röntgenphotonen Elektron-Loch-Paare innerhalb des Halbleiters, die in der Raumladungszone getrennt werden. Dadurch wird ein kleiner Strom hervorgerufen, dessen Stärke proportional zur Energie und Intensität der einfallenden Röntgenstrahlung ist. Es werden auch Bildsensoren gefertigt, beispielsweise als Alternative zu medizinischen Röntgenfilmaufnahmen. ⓘ

Anwendungen

Röntgenaufnahme einer rechten Hüfte, Knochenbruch fixiert mit Lochblechstreifen und Senkkopfschrauben aus Metall, Operationsnaht verklammert ⓘ

Röntgenspektrograf, mit dem William Lawrence Bragg Kristalle untersuchte ⓘ

Mit Röntgenstrahlung kann der menschliche Körper durchleuchtet werden, wobei vor allem Knochen, aber bei modernen Geräten auch innere Organe sichtbar werden (siehe auch Röntgen). Dabei wird 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 Computertomographen eingesetzt, die eine räumliche Rekonstruktion des Körperinneren ermöglichen. ⓘ

Man kann mit Röntgenstrahlen auch Krebs behandeln, indem man die Krebszellen, die meist strahlungsempfindlicher als das umgebende Gewebe sind, im Rahmen einer Strahlentherapie durch gezielte Bestrahlung schädigt. ⓘ

Bis zur Entwicklung der ersten Antimykotika wurden auch Hautpilzerkrankungen durch Röntgenstrahlung behandelt (siehe auch Ringelflechte-Affäre). ⓘ

In der Materialphysik, der Chemie, der Biochemie, der Kristallographie und in anderen Wissenschaften wird Beugung von Röntgenstrahlen zur Strukturaufklärung im weitesten Sinne benutzt, z. B. zur Untersuchung der Textur oder zur eigentlichen Kristallstrukturanalyse. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung der DNA. Mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) kann die elementare Zusammensetzung einer Probe untersucht werden. Zusätzlich bietet XPS die Möglichkeit, chemische Bindungen zu untersuchen. ⓘ

Darüber hinaus kann mit Röntgenstrahlung auch die Elementzusammensetzung eines Stoffes bestimmt werden. In einer Elektronenstrahl-Mikrosonde (beziehungsweise äquivalent im Elektronenmikroskop) wird die zu analysierende Substanz mit Elektronen bestrahlt, worauf die Atome ionisiert werden und charakteristische Röntgenstrahlung abgeben. Statt mit Elektronen kann auch mit Röntgenstrahlen bestrahlt werden. Dann spricht man von der Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA). ⓘ

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