Untertitel: Strahlen durch den Sarkophag
Hier geht es um die EM-Wellen mit der höchsten Energie: Röntgen- und Gammastrahlung.
Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die nach ihm benannten Strahlen 1895 zufällig, als er mit energiereichen Elektronen einer Kathodenstrahlröhre arbeitete. Dabei bemerkte er, dass einige Meter entfernt ein speziell beschichtetes Papier fluoreszierte. Nach umfangreichen Experimenten kam er zum Schluss, dass das Leuchten durch eine neue Art von Strahlen verursacht wurde, die von der Röhre ausgingen. Er nannte sie X-Strahlen. Diese waren in der Lage, die meisten Substanzen mühelos zu durchdringen. Mit ihnen durch den eigenen Körper schauen zu können (Abb. 35.17), machte Röntgenstrahlen zur populärsten physikalischen Entdeckung ihrer Zeit. 1901 bekam Röntgen den ersten Physiknobelpreis verliehen.
| Links: Aufbau einer Röntgenröhre und wie man damit fotografiert. Rechts: Eine der ersten Röntgenaufnahmen der Welt. |
Wie und warum entstehen Röntgenstrahlen? So wie alle anderen EM-Wellen durch beschleunigte Ladungen! Je stärker die Beschleunigung, desto stärker die Knicke in den Feldlinien und desto höher die Energie der Strahlung. In der Praxis beschleunigt man Elektronen durch sehr hohe Spannungen und lässt sie dann aufprallen (Abb. links). Dadurch werden sie sehr stark negativ beschleunigt. Die stärkste Abstrahlung erfolgt unter 90 ° zur ursprünglichen Bewegungsrichtung, weil dort die Feldlinien am stärksten verzerrt werden (folgende Abb.).
| So entstehen durch den Aufprall Röntgenstrahlen. |
* Röntgenquant
Die Schwächung der Röntgenstrahlung in Materie durch Absorption und Streuung ist etwa proportional zur 4. Potenz der Ordnungszahl ($Z^4$). Elemente wie Wasserstoff ($Z = 1$), Kohlenstoff (6), Stickstoff (7) oder Sauerstoff (8) schlucken die Strahlung kaum. Knochen und Zähne mit ihrem hohen Anteil an Calcium ($Z = 20$) absorbieren Röntgenstrahlen aber sehr gut und erscheinen auf den Bildern daher dunkler. Auch die starke Absorptionsfähigkeit von Blei ($Z = 82$) ist auf dessen hohe Ordnungszahl zurückzuführen. Will man Weichteile sichtbar machen, muss man ein Kontrastmittel mit hoher Absorptionsfähigkeit schlucken. Viele Weichteile wie Niere oder Milz werden heute aber schonender mit Ultraschall abgebildet.
Unter Computertomographie (CT) versteht man ein rechnergestütztes Verfahren, um dreidimensionale Röntgenbilder zu erzeugen. Dieses Verfahren ähnelt zwar PET und MRT, darf aber nicht mit diesen verwechselt werden! Mittels CT lassen sich komplizierte Knochenbrüche perfekt darstellen, aber auch Mumien im Sarkophag (Abb.).
| Dieser Sarkophag wurde mit einem CT gescannt, ohne dass er dabei geöffnet werden musste. |
Auf Flughäfen spielen Röntgenstrahlen wegen der immer stärker werdenden Sicherheitsmaßnahmen eine große Rolle. Neben der „normalen“ Kontrolle des Gepäcks gibt es eine Technik für Personen, die man Back-scatter (engl. für Rückstreuung) nennt - es handelt sich dabei also um ein Rückstreuröntgen. Man verwendet weiche Röntgenstrahlung, die die Kleidung durchdringt, aber vom Körper und auch von Kunststoffen reflektiert wird (folgende Abb.). Weil die Personen aber wie nackt aussehen, ist diese Technik aus ethischen Gründen noch nicht im Einsatz.
| Reflexionsröntgen findet auch Plastikpistolen, lässt aber Leute nackt aussehen. |
Gammastrahlung (y-Strahlung) ist intensiver als Röntgen. Sie gehört zu den radioaktiven Strahlen und entsteht, wenn Nukleonen im Kern in einen energetisch tieferen Zustand übergehen. Die überschüssige Energie wird in Form eines oder mehrerer y-Photonen abgegeben. Salopp gesagt handelt es sich dabei um Quantensprünge der Nukleonen. Gammastrahlen können auch unter bestimmten Bedingungen bei kosmischen Ereignissen auftreten, etwa bei Supernovaexplosionen oder Kollisionen von Neutronensternen.