Röntgenstrahlung oder Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit Quantenenergien oberhalb etwa 100 eV, entsprechend Wellenlängen unter etwa 10 nm. Röntgenstrahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum im Energiebereich oberhalb des ultravioletten Lichts. Von der Gammastrahlung unterscheidet sie sich durch die Art der Entstehung: Gammastrahlung sind Photonen, die durch Kernreaktionen oder radioaktive Zerfälle entstehen, während Röntgenstrahlung aus der Geschwindigkeitsänderung geladener Teilchen herrührt. Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen und hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten.
Die Röntgenstrahlung wurde am 8. November 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen in Würzburg entdeckt und wird nach ihm im deutschsprachigen sowie fast im gesamten mittel- und osteuropäischen Raum benannt. In anderen Sprachräumen wird sie häufig mit dem von Röntgen ursprünglich selbst verwendeten Ausdruck X-Strahlen bezeichnet. Röntgenstrahlung ist eine ionisierende Strahlung.
mini|DIN EN ISO 7010 W003: Warnung vor radioaktiven Stoffen oder ionisierenden Strahlen
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.
Erzeugung Erzeugung durch Elektronen mini|Feynman-Diagramm der Bremsstrahlungserzeugung (Zeit von links nach rechts): ein Elektron (e⁻) wird in der Nähe eines Atomkerns gestreut, verliert Energie und erzeugt dabei ein Röntgenquant (γ). Die Nähe eines Kerns ist notwendig, damit durch ihn die Impulsbilanz ausgeglichen werden kann. mini|Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung: ein Elektron wurde (z. B. durch Elektronenstoß) aus der K-Schale entfernt, ein Elektron aus der L-Schale fällt in das Loch in der K-Schale; die Energiedifferenz wird als Röntgenstrahlung emittiert.
Röntgenstrahlung entsteht durch zwei verschiedene Vorgänge: durch starke Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Abbremsung oder Ablenkung von Elektronen). Die dabei ausgesandte Strahlung ist die Bremsstrahlung, ihr Spektrum ist kontinuierlich; durch hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen. Die dabei ausgesandte Strahlung ist die charakteristische Röntgenstrahlung, sie besitzt stets ein Linienspektrum.
Beide Effekte treten in der Röntgenröhre auf. Darin werden zunächst von einer Glühwendel (Kathode) freigesetzte Elektronen mit Hilfe eines elektrischen Felds beschleunigt und abschließend durch eine metallische Anode abgebremst. Dabei entsteht aufgrund der Bremsbeschleunigung die Röntgenstrahlung, die vom Umfang her in etwa 1 % der kinetischen Energie der Elektronen entspricht. Der Rest der Energie wird in Wärme umgewandelt und durch Kühleinrichtungen an der Anode abgeführt. Außerdem werden durch Elektronenstöße Elektronen aus niedrigen Energieniveaus der Metallatome herausgeschlagen. Durch Rekombination in die freigewordenen Niveaus entsteht die für die Anode charakteristische Röntgenstrahlung.
Die Anoden bestehen heute meist aus Keramik, wobei die Stellen, auf welche die Elektronen auftreffen, aus Metallen wie Molybdän, Kupfer oder Wolfram gefertigt sind.
Eine weitere Quelle von Röntgenstrahlung sind zyklische Teilchenbeschleuniger, insbesondere zur Beschleunigung von Elektronen. Hier entsteht, wenn der Teilchenstrahl in einem starken Magnetfeld abgelenkt und dadurch quer zu seiner Ausbreitungsrichtung beschleunigt wird, Synchrotronstrahlung, eine Art der Bremsstrahlung. Bis zu einer Maximalenergie enthält die Synchrotronstrahlung eines Ablenkmagneten ein breites, elektromagnetisches Spektrum. Bei passend gewählten Parametern (Stärke des Magnetfeldes und Teilchenenergie) ist dabei auch Röntgenstrahlung vertreten. Außerdem kann an Synchrotronanlagen auch monoenergetische Röntgenstrahlung mit Hilfe von Undulatoren erzeugt werden, die aus periodischen Anordnungen von starken Magneten bestehen.
Röntgen-Bremsstrahlung entsteht prinzipbedingt und meist unerwünscht in verschiedenen technischen Geräten wie etwa Elektronenmikroskopen, Elektronenstrahlschweißgeräten und im Bereich der Leistungsstufen von großen Radaranlagen, wo zum Schalten Elektronenröhren sowie Magnetrone oder Amplitrone zur Erzeugung großer Leistung von nichtionisierender Strahlung eingesetzt werden, die im Betrieb zusätzlich Röntgenstrahlung abgeben. Weitere technische Quellen waren die ersten Farbfernsehempfangsgeräte ab den 1960er Jahren mit Kathodenstrahlröhren, da die Farbbildröhren höhere Anodenspannungen und Strahlströme als Schwarz-Weiß-Bildröhren erforderten (ca. 27 kV gegenüber 18 kV).
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.Helmut Paul, Johannes Muhr: Review of experimental cross sections for K-shell ionization by light ions. In: Physics Reports. Band 135, 1986, S. 47–97. – Abstract Dieselbe Publikation gibt auch einen Überblick über die Wirkungsquerschnitte zur Erzeugung.
Natürliche Röntgenstrahlung 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.
Auf der Erde entsteht Röntgenstrahlung in geringer Intensität im Zuge der Absorption anderer Strahlungsarten, die von radioaktivem Zerfall und der Höhenstrahlung stammen. Röntgenstrahlung wird auch in Blitzen produziert und tritt gemeinsam mit terrestrischen Gammablitzen auf. Der zugrunde liegende Mechanismus ist die Beschleunigung von Elektronen im elektrischen Feld eines Blitzes und die nachfolgende Produktion von Photonen durch Bremsstrahlung.C. Köhn, U. Ebert: Angular distribution of Bremsstrahlung photons and of positrons for calculations of terrestrial gamma-ray flashes and positron beams. In: Atmos. Res. Band 135–136, 2014, S. 432–465. Dabei entstehen Photonen mit Energien von einigen wenigen keV bis zu einigen MeV.Köhn, C., Ebert, U. Calculation of beams of positrons, neutrons, and protons associated with terrestrial gamma ray flashes. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 120, S. 1620–1635. Zu den Details der Prozesse, wie Röntgenstrahlung in solchen elektrischen Feldern entstehen, laufen Forschungsarbeiten.Kochkin, P., Köhn, C., Ebert, U., van Deursen, L. Analyzing x-ray emissions from meter-scale negative discharges in ambient air. Plasma Sour. Sci. Technol. (2016), vol. 25, 044002.Cooray, V., Arevalo, L., Rahman, M., Dwyer, J., Rassoul, H. On the possible origin of X-rays in long laboratory sparks. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. (2009), vol. 71, S. 1890–1898.Köhn, C., Chanrion, O., Neubert, T. Electron acceleration during streamer collisions in air. Geophys. Res. Lett. (2017), vol. 44, S. 2604–2613.Marode, E., Bastien, F., Bakker, M. A model of the streamer included spark formation based on neutral dynamics. J. Appl. Phys. (1979), vol. 50, S. 140–146.Köhn, C., Chanrion, O., Babich, L.P., Neubert, T. Streamer properties and associated x-rays in perturbed air. Plasma Sour. Sci. Technol. (2018), vol. 27, 015017.C. Köhn, O. Chanrion, T. Neubert: High-Energy Emissions Induced by Air Density Fluctuations of Discharges. In: Geophysical Research Letters. 45, 2018, S. 5194, doi:10.1029/2018GL077788.
Wechselwirkung mit Materie Der Brechungsindex von Materie für Röntgenstrahlung weicht nur wenig von 1 ab. Das hat zur Folge, dass eine einzelne Röntgenlinse lediglich schwach fokussiert oder defokussiert und man für einen stärkeren Effekt Linsenstapel benötigt. Des Weiteren werden Röntgenstrahlen bei nichtstreifendem Einfall kaum reflektiert. Trotzdem hat man in der Röntgenoptik Wege gefunden, optische Bauelemente für Röntgenstrahlen zu entwickeln.
Röntgenstrahlung kann Materie durchdringen. Sie wird dabei je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der radiologischen Bilderzeugung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt nach dem Lambert-Beerschen Gesetz mit der im Material zurückgelegten Weglänge exponentiell ab (), der Absorptionskoeffizient ist dabei materialabhängig und etwa proportional zu (: Ordnungszahl, : Wellenlänge).
Die Absorption erfolgt durch Photoabsorption, Compton-Streuung und, bei hohen Photonenenergien, Paarbildung. Bei der Photoabsorption schlägt das Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Atoms. Dafür ist je nach Elektronenschale eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses als Funktion der Photonenenergie steigt bei Erreichen der Mindestenergie abrupt auf einen hohen Wert an (Absorptionskante) und nimmt zu höheren Photonenenergien dann wieder kontinuierlich ab, bis zur nächsten Absorptionskante. Das „Loch“ in der Elektronenhülle wird durch ein Elektron aus einer höheren Schale wieder aufgefüllt. Dabei entsteht niederenergetische Fluoreszenzstrahlung. Außer an stark gebundenen Elektronen wie bei der Photoabsorption kann ein Röntgen-Photon auch an ungebundenen oder schwach gebundenen Elektronen gestreut werden. Diesen Prozess nennt man Compton-Streuung. Die Photonen erfahren durch die Streuung eine vom Streuwinkel abhängige Verlängerung der Wellenlänge um einen festen Betrag und damit einen Energieverlust. Im Verhältnis zur Photoabsorption tritt die Compton-Streuung erst bei hohen Photonenenergien und vor allem bei leichten Atomen in den Vordergrund.
Photoabsorption und Compton-Streuung sind inelastische Prozesse, bei denen das Photon Energie verliert und schließlich absorbiert wird. Daneben ist auch elastische Streuung (Thomson-Streuung, Rayleigh-Streuung) möglich. Dabei bleibt das gestreute Photon kohärent zum einfallenden und behält seine Energie.
Bei Energien oberhalb tritt außerdem Elektron-Positron-Paarbildung auf. Sie ist – abhängig vom Material – ab etwa 5 MeV der dominierende Absorptionsprozess.
Biologische Wirkung mini|Röntgenaufnahme der linken Hand eines 10-Jährigen mit sechs Fingern (Hexadaktylie)