Röntgenstrahlung
Beim Zahnarzt oder nach einem Sturz beim Fußball wird ein Röntgenbild gemacht. Du siehst das Innere deines Körpers, ohne dass jemand schneiden muss. Warum zeigt das Bild Knochen so deutlich, und warum verlässt das Personal den Raum, während du still liegst? Das klären wir in diesem Abschnitt.
Die Röntgenröhre
Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 eine unsichtbare Strahlung. Heute erzeugt man sie in einer Röntgenröhre. Das ist eine luftleere Glasröhre mit zwei Elektroden:
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Die Glühkathode wird durch einen Heizstrom zum Glühen gebracht. Sie sendet Elektronen aus.
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Die Anode ist der Gegenpol der Glühkathode. Zwischen Glühkathode und Anode liegt eine Hochspannung von einigen 10 kV bis 100 kV, wobei die Anode der positive Pol ist.
Die Elektronen werden vom elektrischen Feld zur Anode beschleunigt. Dabei wird elektrische Energie in Bewegungsenergie der Elektronen umgewandelt. Die Elektronen schlagen mit großer Geschwindigkeit in das Anodenmaterial (z. B. Wolfram) ein. Beim Abbremsen wird die Bewegungsenergie in Röntgenstrahlung und Wärme umgewandelt. Der größte Teil der Energie (über 99 %) wird dabei aber in Wärme umgewandelt.
Die elektrische Leistung der Röhre berechnest du wie in jedem Stromkreis: $P = U \cdot I$.
Röntgenstrahlung wird in einer Röntgenröhre erzeugt. a) Nenne die beiden Elektroden der Röntgenröhre. b) Beschreibe in zwei bis drei Sätzen, wie die Strahlung entsteht.
Röntgenstrahlung wird in einer Röntgenröhre erzeugt.
- a) Nenne die beiden Elektroden der Röntgenröhre.
- b) Beschreibe in zwei bis drei Sätzen, wie die Strahlung entsteht.
In einer Röntgenröhre liegt zwischen Glühkathode und Anode die Spannung $60\ \text{kV}$. Die Röhre hat einen Röhrenstrom von $10\ \text{mA}$. a) Berechne die elektrische…
In einer Röntgenröhre liegt zwischen Glühkathode und Anode die Spannung $60\ \text{kV}$. Die Röhre hat einen Röhrenstrom von $10\ \text{mA}$.
- a) Berechne die elektrische Leistung der Röhre.
- b) Erkläre, warum die Anode stark gekühlt werden muss.
Eigenschaften und Durchdringung
Röntgenstrahlung hat folgende Eigenschaften:
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Sie ist für das Auge unsichtbar und breitet sich geradlinig aus.
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Sie durchdringt Stoffe, die für Licht undurchsichtig sind (Papier, Pappe, Haut, Muskeln).
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Sie schwärzt Filme und lässt Leuchtschirme aufleuchten.
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Sie ist ionisierend: Sie kann Atome Elektronen entreißen und so Zellen schädigen.
Wie stark ein Stoff die Strahlung schwächt, hängt von seiner Dichte und seinen Atomen ab. Knochen enthalten viel Calcium und schwächen die Strahlung stark. Weichteile (Muskeln, Fett, Organe) bestehen vor allem aus leichten Atomen und lassen viel Strahlung durch. Blei schwächt besonders stark.
Auf dem Röntgenbild passiert deshalb Folgendes: Hinter den Knochen kommt wenig Strahlung an, der Film bleibt hell. Hinter den Weichteilen kommt viel Strahlung an, der Film wird dunkel.
Härte der Strahlung: Je höher die Beschleunigungsspannung $U$, desto energiereicher sind die Röntgenquanten und desto besser durchdringen sie Material. Man nennt sie dann „härter“. Ein Elektron, das durch die Spannung $U$ beschleunigt wird, erhält die Energie $E = e \cdot U$.
Nenne drei Eigenschaften von Röntgenstrahlung.
Nenne drei Eigenschaften von Röntgenstrahlung.
Bei einer Röntgenaufnahme in einer Arztpraxis in Essen erscheinen Knochen hell und Weichteile dunkel auf dem Bild (Film bzw. Detektor). Erkläre, warum Knochen auf dem…
Bei einer Röntgenaufnahme in einer Arztpraxis in Essen erscheinen Knochen hell und Weichteile dunkel auf dem Bild (Film bzw. Detektor).
Erkläre, warum Knochen auf dem Bild anders erscheinen als Weichteile.
Bei einer Röntgenröhre wird die Anodenspannung von $50\ \text{kV}$ auf $100\ \text{kV}$ erhöht, der Röhrenstrom bleibt gleich. a) Beschreibe, wie sich die elektrische…
Bei einer Röntgenröhre wird die Anodenspannung von $50\ \text{kV}$ auf $100\ \text{kV}$ erhöht, der Röhrenstrom bleibt gleich.
- a) Beschreibe, wie sich die elektrische Leistung ändert.
- b) Elektronen werden durch die Spannung $U$ beschleunigt und erhalten die Energie $E = e \cdot U$. Berechne die Energie eines Elektrons in eV und in J für $100\ \text{kV}$ ($e = 1{,}6\cdot 10^{-19}\ \text{C}$).
- c) Erkläre, warum die Strahlung bei höherer Spannung stärker durchdringend („härter“) ist.
Wirkung auf den Körper und Strahlenschutz
Weil Röntgenstrahlung ionisiert, kann sie Moleküle in Zellen verändern, auch die Erbsubstanz. Meistens repariert die Zelle den Schaden. Bei hoher oder häufiger Belastung kann die Zelle aber absterben oder sich krankhaft verändern. Die Dosis misst man in Sievert (Sv), meist in Millisievert (mSv).
Zum Vergleich: Die natürliche Strahlenbelastung beträgt in Deutschland im Mittel etwa $2{,}1\,\mathrm{mSv}$ pro Jahr. Eine Zahnaufnahme liegt bei etwa $0{,}005\,\mathrm{mSv}$.
Für den Strahlenschutz gelten drei Grundregeln:
| Regel | Beispiel |
|---|---|
| Abstand halten: Die Dosis nimmt mit dem Abstand stark ab. | Das Personal steht während der Aufnahme im Nebenraum. |
| Zeit kurz halten: Je kürzer die Bestrahlung, desto kleiner die Dosis. | Kurze Belichtungszeit, keine unnötigen Wiederholungen. |
| Abschirmung: Blei oder dicke Wände schwächen die Strahlung. | Bleischürze, Bleiglas, Schilddrüsenschutz. |
Für Patienten ist eine einzelne Aufnahme vertretbar, wenn der Nutzen (Diagnose, Behandlung) größer ist als das kleine Risiko. Das Personal ist dagegen jeden Tag der Strahlung ausgesetzt. Die kleinen Dosen würden sich addieren, deshalb gelten dort strenge Schutzmaßnahmen und Dosimeter.
Das medizinische Personal in einer Röntgenabteilung trägt Bleischürzen und verlässt den Raum während der Aufnahme. a) Erkläre, warum diese Schutzmaßnahmen sinnvoll sind.…
Das medizinische Personal in einer Röntgenabteilung trägt Bleischürzen und verlässt den Raum während der Aufnahme.
- a) Erkläre, warum diese Schutzmaßnahmen sinnvoll sind.
- b) Nenne drei allgemeine Strahlenschutzregeln (Abstand, Zeit, Abschirmung) und ordne je ein Beispiel zu.
Eine Patientin erhält bei einer Zahnaufnahme eine effektive Dosis von $0{,}005\ \text{mSv}$. Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt im Mittel etwa…
Eine Patientin erhält bei einer Zahnaufnahme eine effektive Dosis von $0{,}005\ \text{mSv}$. Die natürliche Strahlenbelastung in Deutschland beträgt im Mittel etwa $2{,}1\ \text{mSv}$ pro Jahr.
- a) Berechne, wie vielen Tagen natürlicher Strahlenbelastung die Aufnahme entspricht.
- b) Erkläre, warum trotz kleiner Dosis Röntgenaufnahmen nur bei medizinischer Notwendigkeit gemacht werden.
Ein Flughafen-Gepäckscanner und ein Röntgengerät in der Klinik nutzen beide Röntgenstrahlung. a) Erkläre, warum man Röntgenstrahlung zur Untersuchung des Körperinneren…
Ein Flughafen-Gepäckscanner und ein Röntgengerät in der Klinik nutzen beide Röntgenstrahlung.
- a) Erkläre, warum man Röntgenstrahlung zur Untersuchung des Körperinneren verwenden kann, sichtbares Licht aber nicht.
- b) Erkläre, warum Röntgenstrahlung als ionisierende Strahlung Zellen schädigen kann.
- c) Beurteile, warum für Patienten eine einzelne Aufnahme vertretbar ist, für Personal mit täglichen Aufnahmen aber strenge Schutzmaßnahmen nötig sind.
Die Entdeckung durch Röntgen
Im November 1895 experimentierte Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg mit einer Entladungsröhre. Er hatte sie mit schwarzer Pappe abgedeckt. Trotzdem leuchtete ein Leuchtschirm in der Nähe auf. Daraus schloss er: Von der Röhre geht eine unsichtbare Strahlung aus, die Pappe durchdringt. Er nannte sie „X-Strahlen“, weil er ihre Natur noch nicht kannte.
Schon bald fertigte er ein Bild der Hand seiner Frau an, auf dem man die Knochen und den Ring sah. Innerhalb weniger Monate nutzten Ärzte die Strahlung weltweit, um Knochenbrüche und Fremdkörper zu finden. Die Gefahren erkannte man erst später: Anfangs gab es keine Schutzvorschriften, und Schäden wie Hautverbrennungen oder Krebserkrankungen zeigten sich erst nach Jahren.
Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 in Würzburg eine neue Strahlung, die er „X-Strahlen“ nannte. Er bemerkte, dass ein Leuchtschirm in der Nähe seiner Entladungsröhre…
Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte 1895 in Würzburg eine neue Strahlung, die er „X-Strahlen“ nannte. Er bemerkte, dass ein Leuchtschirm in der Nähe seiner Entladungsröhre aufleuchtete, obwohl die Röhre mit Pappe abgedeckt war.
- a) Erkläre, welche Schlussfolgerung Röntgen aus dieser Beobachtung über die Strahlung ziehen konnte.
- b) Beschreibe, wie sich die Entdeckung innerhalb weniger Monate auf die Medizin auswirkte.
- c) Bewerte, warum die Gefahren der Strahlung erst später erkannt wurden.
Zurück zum Anfang: Knochen erscheinen hell, weil sie die Strahlung stärker absorbieren als Weichteile. Das Personal verlässt den Raum, weil sich kleine Dosen über Jahre addieren.
Auf einen Blick
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Röntgenstrahlung entsteht, wenn in einer Röntgenröhre Elektronen von der Glühkathode zur Anode beschleunigt und dort abgebremst werden. Der größte Teil der Energie wird zu Wärme.
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Elektrische Leistung: $P = U \cdot I$. Elektronenenergie: $E = e \cdot U$. Höhere Spannung bedeutet härtere Strahlung.
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Röntgenstrahlung ist unsichtbar, durchdringt Stoffe, schwärzt Filme und ionisiert.
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Knochen absorbieren stark (hell), Weichteile wenig (dunkel).
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Strahlenschutz: Abstand, kurze Zeit, Abschirmung. Die Dosis misst man in Sievert (Sv).
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Nutzen und Risiko abwägen: Aufnahmen nur bei medizinischer Notwendigkeit.