Wilhelm C. Röntgen fand im Jahre 1895 heraus, dass  neben Licht auch die später nach ihm benannten Röntgenstrahlen in der Lage sind, fotografische Filmemulsionen zu schwärzen. Denn wie Licht ist auch die Röntgenstrahlung eine elektromagnetische Welle.

Eine Eigenschaft von elektromagnetischen Wellen ist die sogenannte Wellenlänge. Mit der Wellenlänge ist direkt die Energie der Welle verknüpft. Elektromagnetische Wellen mit großen Wellenlängen besitzen eine niedrigere Energie als elektromagnetische Wellen mit kleinen Wellenlängen.

Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung ist kleiner („kurzwelliger“) als die Wellenlänge von Licht (siehe Abbildung 1). Folglich ist Röntgenstrahlung auch entsprechend energiereicher. Hochenergetische elektromagnetische Strahlung ist besser in der Lage Materie, wie beispielsweise das menschliche Körpergewebe, zu durchdringen als niederenergetische elektromagnetische Strahlung. Dieser Effekt wird in der röntgendiagnostischen Bildgebung bewusst ausgenutzt.

Eine zweite wichtige Eigenschaft der Strahlung ist, dass Sie ab einer bestimmten „Grenzenergie“ in der Lage ist Elektronen aus Atomen zu „schießen“. Strahlung, die eine solch hohe Energie besitzt, wird ionisierende Strahlung genannt. Im Gegensatz dazu wird Strahlung als nicht-ionisierend bezeichnet, wenn die Energie diese Grenzenergie unterschreitet.

Abbildung 1 zeigt verschiedene Strahlungsarten in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge und ihren Einsatz in den bildgebenden Verfahren der Röntgendiagnostik.

Um die Entstehung der Röntgenstrahlung zu erklären, wird häufig das Bohr’sche Atommodell zu Grunde gelegt.

Grundlagen1
Abbildung 1: Vorkommen elektromagnetischer Strahlung bei verschiedenen Wellenlängenbereichen. [1]

Das Bohr´sche Atommodell

Das Bohr´sche Atommodell stellt ein einfaches Modell des Aufbaus der Atome dar. Es lassen sich jedoch viele physikalische Grundlagen mit diesem Modell erklären.

Ein Atom besteht aus dem Atomkern und der Atomhülle. Der Atomkern besteht aus Protonen und Neutronen und hat eine positive Ladung. In der Atomhülle befinden sich negativ geladene Elektronen. Die Anzahl der Protonen, Neutronen und Elektronen spezifizieren das Atom. Die Elektronen kreisen auf bestimmten Bahnen (Schalen) um den Atomkern. Die Elektronen auf diesen Schalen befinden sich in einem bestimmten Energiezustand und haben daher eine bestimmte Bindungsenergie. Jede Schale kann nur eine begrenzte Anzahl an Elektronen aufnehmen. Es werden immer zuerst die innersten Schalen aufgefüllt bevor eine weitere Schale aufgefüllt werden kann, da die dem Kern nächstgelegenen Schalen den energetisch günstigeren Zustand besitzen. Die Schalen werden von innen nach außen als K-, L-, M- usw. Schalen bezeichnet.

Grundlagen2
Abbildung 2: Darstellung der Elektronenschalen nach dem Bohr'schen Atommodell [1]

Entstehung von Röntgenstrahlung
Bei den Röntgenstrahlen unterscheidet man zwischen der Bremsstrahlung und der charakteristischen Strahlung.

Bremsstrahlung: Sie entsteht, wenn freie Elektronen mit dem Atomkern eines Atoms so in Wechselwirkung treten, dass sie von ihrer Bahn abgelenkt bzw. gebremst werden. Dabei geben sie je nach Ablenkwinkel einen Teil oder ihre ganze Bewegungsenergie in Form von Bremsstrahlung ab.

Grundlagen3Abbildung 3: Schematische Darstellung zur Entstehung von Bremsstrahlung [1]

Charakteristische Strahlung: Befindet sich auf einer inneren Schale im Atom ein freier Platz für eine Elektron, so wird es durch ein Elektron auf einer weiter außen liegenden Schale aufgefüllt, um einen energetisch günstigeren Zustand zu erlangen. Dadurch wird Energie in Form von Strahlung frei. Die Höhe der Strahlungsenergie ist abhängig von der Art des Atoms, von der Schale die aufgefüllt wird und von der Schale aus der das Elektron herabfällt. Da die Atomschalen mit K, L, M, usw. bezeichnet werden, spricht man hier von Kα-, Kβ-, Lα-, Lβ-, usw. Strahlung.

Grundlagen4Abbildung 4: Schematische Darstellung zur Entstehung von Charakteristischer Röntgenstrahlung [1]

[1] eigene Darstellung