Röntgenstrahlung
Am 8. November 1895 arbeitet Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg mit einer Gasentladungsröhre. Ein Stück Papier, das mit einem Leuchtstoff beschichtet ist, beginnt im abgedunkelten Raum zu leuchten, obwohl die Röhre mit Pappe abgedeckt ist. Röntgen hat eine unsichtbare Strahlung entdeckt, die Pappe, Holz und sogar Gewebe durchdringt. Heute gehört das Röntgenbild in jeder Zahnarztpraxis und Uniklinik zum Alltag. Wie entsteht diese Strahlung, und warum ist sie trotzdem nicht ganz harmlos?
Entstehung in der Röntgenröhre
Röntgenstrahlung entsteht in der Röntgenröhre. Das ist eine luftleere Glasröhre mit zwei Elektroden.
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Die Glühkathode wird von einem Heizstrom zum Glühen gebracht. Dabei treten Elektronen aus dem Metall aus.
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Zwischen Kathode und Anode liegt eine hohe Beschleunigungsspannung $U_\mathrm{B}$ (typisch $30\,\mathrm{kV}$ bis $150\,\mathrm{kV}$). Sie beschleunigt die Elektronen auf sehr hohe Geschwindigkeiten.
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Die Elektronen prallen auf die Anode und werden abgebremst. Dabei entsteht Röntgenstrahlung.
Der größte Teil der Bewegungsenergie der Elektronen, etwa $99\,\%$, wird dabei in Wärme umgewandelt. Deshalb muss die Anode aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt (z. B. Wolfram) bestehen und gekühlt werden, oft durch Drehen der Anode oder durch Öl- bzw. Wasserkühlung.
Wer entdeckte 1895 die Röntgenstrahlung und in welcher Stadt in Deutschland geschah das?
Wer entdeckte 1895 die Röntgenstrahlung und in welcher Stadt in Deutschland geschah das?
Beschreibe den Aufbau einer Röntgenröhre und erkläre, wie Röntgenstrahlung entsteht (Glühkathode, Beschleunigungsspannung, Anode).
Beschreibe den Aufbau einer Röntgenröhre und erkläre, wie Röntgenstrahlung entsteht (Glühkathode, Beschleunigungsspannung, Anode).
Eine Röntgenröhre wird mit $50\ \text{kV}$ betrieben, der Röhrenstrom beträgt $20\ \text{mA}$. a) Berechne die elektrische Leistung der Röhre. b) Etwa $99\ \%$ der…
Eine Röntgenröhre wird mit $50\ \text{kV}$ betrieben, der Röhrenstrom beträgt $20\ \text{mA}$.
- a) Berechne die elektrische Leistung der Röhre.
- b) Etwa $99\ \%$ der Energie wird in Wärme umgewandelt. Berechne die Wärmeleistung und erkläre, warum die Anode gekühlt wird.
Eigenschaften und Durchdringung
Röntgenstrahlung hat folgende wichtige Eigenschaften:
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Sie ist für das Auge unsichtbar und breitet sich geradlinig aus.
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Sie durchdringt Materie, wird dabei aber abgeschwächt (absorbiert).
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Sie schwärzt Filme und Detektoren und lässt Leuchtstoffe leuchten.
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Sie ionisiert Atome und kann dadurch Zellen schädigen.
Wie stark die Strahlung absorbiert wird, hängt vom Material ab. Stoffe mit großer Dichte und schweren Atomen (Knochen, Blei) absorbieren viel. Weichteile wie Muskeln und Fett absorbieren wenig. Das Röntgenbild ist ein „Negativ“: Wo viel Strahlung auf den Film trifft, wird er stark geschwärzt (dunkel). Wo wenig Strahlung ankommt, bleibt er hell. Deshalb sind Knochen auf dem Röntgenbild hell (wenig Strahlung kommt beim Film an) und Weichteile dunkel.
Die Durchdringungsfähigkeit hängt von der Beschleunigungsspannung ab: Je größer $U_\mathrm{B}$, desto energiereicher und damit durchdringender ist die Strahlung („harte“ Strahlung). Je kleiner $U_\mathrm{B}$, desto leichter wird sie absorbiert („weiche“ Strahlung).
Auf einem Röntgenbild erscheinen Knochen hell und Weichteile dunkel. a) Erkläre den Kontrast mit der unterschiedlichen Absorption. b) Warum werden bei…
Auf einem Röntgenbild erscheinen Knochen hell und Weichteile dunkel.
- a) Erkläre den Kontrast mit der unterschiedlichen Absorption.
- b) Warum werden bei Magen-Darm-Untersuchungen Kontrastmittel eingesetzt?
Erkläre, wie sich Röntgenstrahlung bei höherer Beschleunigungsspannung ändert (Durchdringungsfähigkeit) und begründe, warum für Aufnahmen der Lunge und des Fußes…
Erkläre, wie sich Röntgenstrahlung bei höherer Beschleunigungsspannung ändert (Durchdringungsfähigkeit) und begründe, warum für Aufnahmen der Lunge und des Fußes unterschiedliche Spannungen sinnvoll sind.
Anwendungen und Strahlenschutz
Medizin: Röntgenaufnahmen von Knochen und Zähnen, Durchleuchtung, Computertomographie (CT) (viele Aufnahmen aus verschiedenen Richtungen, vom Computer zu Schnittbildern verarbeitet) und die Untersuchung der Lunge. Berufe sind z. B. Medizinisch-technische Radiologieassistenten (MTRA) und Radiologen.
Technik: Kontrolle von Schweißnähten und Gepäck am Flughafen, Materialprüfung.
Weil Röntgenstrahlung ionisiert, schützt man sich nach drei Regeln:
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Abstand halten,
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Abschirmen (Blei absorbiert stark, daher Bleischürze beim Zahnarzt),
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Aufenthaltsdauer kurz halten.
Der Patient trägt die Bleischürze, damit Körperbereiche, die nicht untersucht werden (z. B. Unterleib), keine unnötige Strahlung bekommen. Das Personal verlässt meist den Raum oder steht hinter einer Schutzwand.
Dosis und Bewertung
Die effektive Dosis misst man in Sievert (Sv), meist in Millisievert (mSv). Sie berücksichtigt, wie stark die Strahlung die verschiedenen Organe schädigt. In Deutschland beträgt die natürliche Strahlenbelastung im Mittel etwa $2{,}1\,\mathrm{mSv}$ pro Jahr (Quelle: Bundesamt für Strahlenschutz).
Bei der Bewertung wägt man Nutzen und Risiko ab: Ein Knochenbruch oder eine Lungenentzündung, die man ohne Bild nicht erkennt, ist meist gefährlicher als eine kleine Dosis. Trotzdem gilt das Minimierungsgebot: Strahlenbelastung wird so gering gehalten, wie vernünftigerweise möglich, denn auch kleine Dosen sind nicht völlig risikofrei. Eine Untersuchung wird nur durchgeführt, wenn sie medizinisch begründet ist.
Röntgen- und Gammastrahlung
Beide sind energiereiche elektromagnetische Strahlung und ionisieren.
| Röntgenstrahlung | Gammastrahlung | |
|---|---|---|
| Entstehung | Abbremsen schneller Elektronen (Hülle bzw. Röhre) | Übergang im Atomkern nach einem Zerfall |
| Steuerbarkeit | ein- und ausschaltbar | nicht abschaltbar, folgt dem Zerfall |
| Anwendung | Röntgenbild, CT, Materialprüfung | Szintigraphie, Strahlentherapie, Sterilisation |
Nenne zwei Anwendungen der Röntgenstrahlung in der Medizin.
Nenne zwei Anwendungen der Röntgenstrahlung in der Medizin.
Warum legt der Zahnarzt dem Patienten bei Röntgenaufnahmen eine Bleischürze an?
Warum legt der Zahnarzt dem Patienten bei Röntgenaufnahmen eine Bleischürze an?
Ein Patient wird bei einer Untersuchung geröntgt. Eine Strahlenbelastung von $0{,}1\ \text{mSv}$ steht der durchschnittlichen natürlichen Jahresdosis in Deutschland von…
Ein Patient wird bei einer Untersuchung geröntgt. Eine Strahlenbelastung von $0{,}1\ \text{mSv}$ steht der durchschnittlichen natürlichen Jahresdosis in Deutschland von etwa $2{,}1\ \text{mSv}$ gegenüber.
- a) Berechne, wie vielen Tagen natürlicher Strahlung die Untersuchung entspricht.
- b) Bewerte Nutzen und Risiko.
- c) Begründe das Prinzip „so wenig wie vernünftigerweise möglich“.
Vergleiche Röntgenstrahlung und Gammastrahlung hinsichtlich Entstehung, Eigenschaften und Anwendung. Nenne Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
Vergleiche Röntgenstrahlung und Gammastrahlung hinsichtlich Entstehung, Eigenschaften und Anwendung. Nenne Gemeinsamkeiten und Unterschiede.
Zurück zum Anfang: Röntgen entdeckte die Strahlung in Würzburg. Sie entsteht beim Abbremsen schneller Elektronen und macht Knochen sichtbar, weil diese stärker absorbieren als Weichteile.
Auf einen Blick
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In der Röntgenröhre treten Elektronen aus der Glühkathode aus, werden durch die Spannung $U_\mathrm{B}$ beschleunigt und beim Aufprall auf die Anode abgebremst: Es entsteht Röntgenstrahlung, aber etwa $99\,\%$ der Energie wird Wärme.
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Leistung der Röhre: $P = U \cdot I$.
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Röntgenstrahlung ist unsichtbar, durchdringend und ionisierend. Knochen absorbieren stark (hell), Weichteile schwach (dunkel). Kontrastmittel verstärken den Kontrast.
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Höhere Beschleunigungsspannung: durchdringendere Strahlung.
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Strahlenschutz: Abstand, Abschirmung (Blei), kurze Dauer. Die effektive Dosis wird in Sv gemessen. Nutzen und Risiko werden abgewogen, die Dosis so gering wie vernünftigerweise möglich gehalten.