Röntgenstrahlung

Schon kurz nach ihrer Entdeckung hat die Röntgenstrahlung Anwendung in der Medizin gefunden. Auch heute noch bildet sie eine wichtige Säule der medizinischen Diagnostik und leistet in Bereichen wie der Archäologie und Kunst wertvolle Dienste. Als Strahlungsquellen der Zukunft eröffnen leistungsstarke Röntgenlaser völlig neue Forschungsmöglichkeiten.

Röntgenbild einer Lunge

Röntgenstrahlung hat Wellenlängen zwischen 10 milliardstel Metern (10 Nanometern) und 0,01 Nanometern. Sie entsteht, wenn in einem Atom die inneren Elektronen ihre Bahn um den Kern ändern und dabei Energie abgeben, oder wenn schnelle Elektronen um die Kurve fliegen oder abrupt gebremst werden.

Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte im Jahr 1895 zufällig eine neue Art von Strahlung. Er wusste nicht, welcher Natur sie war und nannte sie X-Strahlung. Das Besondere an ihr war, dass sie Materie durchdringen konnte. So war es möglich, Bilder vom Inneren des Körpers zu machen. Im deutschen Sprachraum heißt diese Strahlung dem Entdecker zu Ehren Röntgenstrahlung. Im Englischen wird weiterhin das Wort X-rays verwendet.

Erst 1912 bewies Max von Laue, dass es sich bei Röntgenstrahlung um elektromagnetische Wellen ähnlich denen des Lichts handelt.

Licht, das unter die Haut geht

Röntgenstrahlung kann Materie zum Teil durchdringen, wodurch beispielsweise tiefe Einblicke in das Innere des menschlichen Körpers möglich werden. Diese Eigenschaft wurde bereits wenige Wochen nach der Strahlung selbst entdeckt und führte zu wesentlichen Anwendungen in der medizinischen Diagnostik.

Die Gefahr, die die unkontrollierte Dosierung von Röntgenstrahlung mit sich bringt, war damals noch nicht bekannt, und einige Ärzte und Wissenschaftler starben an den Folgen der frühen Forschung mit Röntgenstrahlung. Im Laufe der Jahre wurden immer raffiniertere und sicherere Röntgenapparate gebaut, die von der Ganzkörperaufnahme bis zum Filmen von Prozessen im Körper eine Vielzahl von Untersuchungsmöglichkeiten boten.

Anwendungen in Archäologie und Kunst

Mit Mumien ist das so eine Sache: Einerseits bieten die konservierten Leichname eine fantastische Möglichkeit, Erkenntnisse über die Vergangenheit zu gewinnen, andererseits können diese historisch wertvollen Toten beim Auspacken schon mal zu Staub zerfallen.

Röntgenstrahlung ermöglicht es, hinter die Mumifizierung zu blicken, ohne die Mumien zu beschädigen. Dabei kann eine Vielzahl von Erkenntnissen gewonnen werden, beispielsweise über die Todesursachen der Eingewickelten und ihrer Krankheiten. Röntgenbilder lassen auch auf die Art der Mumifizierung schließen, auf den Stand der medizinischen Heilungsmethoden und auf chirurgische Eingriffe. Ebenso kann das Todesalter mit dieser Technik ergründet werden.

Auch bei der Untersuchung von Kunstwerken kann Röntgenstrahlung eine wichtige Rolle spielen. So vergingen nach der Entdeckung der Strahlung im Jahr 1895 nur zwei Jahre, da wurden ihre durchdringenden Eigenschaften erstmals zur Untersuchung eines Gemäldes eingesetzt. Seine Herkunft war unbekannt. Doch der Einsatz der Röntgenstrahlung brachte die Signatur des Malers und eine Jahreszahl ans Licht. Der Vorteil der Röntgenuntersuchung: Das Kunstwerk bleibt bei der Analyse völlig unbeschädigt.

Mit Röntgenstrahlung lassen sich außerdem die Werke alter Meister von den Malversuchen ihrer Schüler unterscheiden oder - viel wichtiger - von professionellen Fälschungen. Während sich zwei Gemälde, mit bloßem Auge betrachtet, wie ein Ei dem anderen gleichen können, so ist es doch unwahrscheinlich, dass für die Fälschung dieselbe Maltechnik verwendet wurde wie für das Original. So kann es für einen Maler typisch sein, in welcher Reihenfolge und in welchen Schichten er die Farben aufträgt. Eine Untersuchung mit Hilfe von Röntgenstrahlung kann diese Unterschiede zwischen dem Original und einer Fälschung ans Licht bringen.

Strahlungsquellen der Zukunft: Röntgenlaser

Über 100 Jahre nach Röntgens Entdeckung entstehen mit Röntgenlasern wie dem in Hamburg geplanten europäischen Röntgenlaser XFEL Strahlungsquellen, die eine milliardenfach höhere Spitzenleistung liefern wird als die modernster Röntgenquellen. Das wird Experimentierfelder erschließen, von denen Wissenschaftler bisher nur träumen durften.

Die Röntgenlaserblitze des europäischen Röntgenlasers XFEL sind beispielsweise so kurz, dass sich damit chemische Reaktionen filmen lassen. Belichtungszeiten im Bereich von billiardstel Sekunden garantieren, dass nichts verwackelt. Nutzen lassen sich solche Aufnahmen etwa, um die Prozesse in Brennstoff- und Solarzellen besser zu verstehen. Die Forscher können aber auch Biomolekülen bei der Arbeit zuschauen oder im Detail untersuchen, wie sich Atome und Moleküle zu Werkstoffen formen. Ob Chemiker, Biologen, Materialforscher oder Physiker - bei den möglichen Anwendungen der Röntgenlaserblitze ist für jeden etwas dabei. Auch der Industrie werden sich ganz neue Möglichkeiten eröffnen.