Röntgenaufnahme

Beim Röntgen durchdringen unsichtbare Strahlen den Körper und treffen auf eine Platte oder einen Detektor, sodass Knochen und dichtes Gewebe Schatten werfen. Wilhelm Conrad Röntgen entdeckte die Strahlen am 8. November 1895 in Würzburg, und Anfang 1896, wenige Wochen nach seiner Mitteilung, suchten Ärzte in Europa und Amerika damit nach Brüchen und Kugeln.

Was es ist

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen wie das Licht, aber mit viel kürzerer Wellenlänge, etwa 0,01 bis 10 Nanometer gegenüber 400 bis 700 beim sichtbaren Licht; deshalb durchdringen sie Stoffe, die Licht aufhalten. Dichte Materie schluckt mehr davon als leichte, und so hinterlässt ein Gegenstand zwischen einer Röntgenquelle und einer empfindlichen Platte ein Schattenbild seines Inneren: Knochen, der Calcium enthält, hebt sich deutlich vom umgebenden Fleisch ab.

Das Gerät auf der Tafel ist von der Art, wie man es 1896 und in den folgenden Jahren benutzte. Ein Funkeninduktor macht aus der niedrigen Spannung einer Batterie Zehntausende Volt. Zwei Drähte führen diese Spannung zu einer „Fokusröhre“, einem fast luftleer gepumpten Glaskolben mit einer hohlen Aluminiumkathode an einem Ende und in der Mitte einem kleinen, um 45 Grad geneigten Platinblech, der Antikathode. Unter der Röhre liegt eine in schwarzes Papier gewickelte Fotoplatte, darauf der abzubildende Gegenstand.

Wie es funktioniert

Die Röhre enthält noch eine Spur Gas. Die Hochspannung ionisiert es, und die positiven Ionen schlagen beim Aufprall auf die Kathode Elektronen heraus, die die Spannung dann durch die Röhre treibt. Diese Kathodenstrahlen, wie man sie damals nannte, sind unsichtbare Elektronenströme, und die Menge des Restgases bestimmt, wie sie sich verhalten. Die Hohlkathode bündelt sie auf einen kleinen Fleck der Platin-Antikathode. Werden die schnellen Elektronen im Metall abgebremst, tritt ein kleiner Teil ihrer Energie als Röntgenstrahlung aus; fast alles andere wird zu Wärme. Die Röntgenstrahlen verlassen das Ziel in viele Richtungen; weil es schräg steht, tritt ein nutzbares Bündel seitlich durch das Glas zur Fotoplatte aus, während sich der Rest ohne Abschirmung im Raum verteilt.

Die Coolidge-Röhre von 1913: Ein geheizter Wolframfaden liefert die Elektronen, sodass sich die Leistung genau einstellen lässt.

Die Strahlen gehen geradlinig von diesem kleinen Fleck aus, und darauf kommt es an: Je kleiner der Fleck, desto schärfer die Schatten. Wo die Strahlen leicht durchkommen, durch Luft oder Fleisch, schwärzen sie die Fotoschicht; wo Knochen oder Metall sie schlucken, bleibt die Platte heller. Als Abzug oder direkt betrachtet zeigt sie das Skelett einer Hand, eine Münze im Geldbeutel oder eine Kugel in einem Glied.

Die frühen Gasröhren waren launisch: Ihr Verhalten änderte sich, wenn sich das restliche Gas verbrauchte. 1913 baute William Coolidge bei General Electric eine Röhre mit Hochvakuum und einem geheizten Wolframfaden als Kathode. Der Strom und damit die Menge der Strahlung ließ sich nun über die Fadentemperatur einstellen, ihre Durchdringungskraft über die Spannung, und die Dosen wurden wiederholbar. Moderne Röhren folgen noch diesem Prinzip.

Wie man es baut

Ein Röntgengerät lässt sich zu Hause nicht sicher bauen, und in den meisten Ländern braucht sein Betrieb eine Genehmigung. Röntgenstrahlen schädigen lebende Zellen, ohne dass man es spürt; die frühen Anwender erfuhren das durch Verbrennungen, Amputationen und tödliche Krebserkrankungen. Dieser Abschnitt beschreibt, wie die ersten Geräte in Laboren entstanden, und schlägt dann zwei einfache Versuche vor, die dieselben Prinzipien zeigen.

Wie man es 1896 machte. Instrumentenbauer wickelten kilometerlangen, seidenumsponnenen Feindraht auf einen Eisenkern, speisten die Spulen aus Batterien über einen schwingenden Unterbrecher und verbanden sie mit Röhren, die Glasbläser gefertigt hatten. Die Röhren wurden stundenlang mit Quecksilberpumpen evakuiert, zugeschmolzen und eingefahren, bis sie gleichmäßige Strahlen gaben. Unter der Röhre lag eine in schwarzes Papier gehüllte Kassette; eine Hand brauchte anfangs mehrere Minuten Belichtung, manchmal weit mehr, mit besseren Röhren weniger.

Schatten mit Licht sehen. In einem dunklen Raum eine helle Taschenlampe etwa 2 m vor einer Wand fest aufstellen und einen Bleistift auf halbem Weg halten. Einen Karton mit einem 5-mm-Loch vor die Lampe kleben, dann abnehmen, sodass die ganze Linse leuchtet: Die kleine Quelle gibt einen scharfen Schatten, die große verschwommene Ränder, genau wie ein kleiner Brennfleck in einer Röntgenröhre. Dann die Lampe gegen eine Fingerkuppe drücken: Die Kuppe leuchtet rot, weil rotes Licht einen Zentimeter Fleisch durchdringt.

Fluoreszenz sehen. Röntgen bemerkte die Strahlen, weil ein mit Bariumplatincyanür beschichteter Schirm aufleuchtete. Unter Aufsicht eines Erwachsenen und nach den Sicherheitshinweisen der Lampe im Dunkeln ein Glas Tonic Water mit einer schwachen UV-Taschenlampe der Art „UV-A, 365 nm“ anstrahlen: Das darin enthaltene Chinin schluckt das unsichtbare Licht und leuchtet blau. Textmarkertinte und manche Waschmittel tun dasselbe.

Sicherheit. Nie alte Elektronenröhren oder Bildröhren an Hochspannung legen: Treffen darin Elektronen auf Glas oder Metall, können sie Röntgenstrahlen aussenden. Funkeninduktoren und andere Hochspannungsquellen können gefährliche oder tödliche Schläge austeilen. Ultraviolett schadet Augen und Haut: nie in die Lampe blicken, den Strahl von Augen und Haut fernhalten, eine UV-Schutzbrille tragen und eine schwache, nur für UV-A verkaufte Lampe wählen. Medizinische Röntgenaufnahmen macht geschultes Personal, mit der kleinsten Dosis, die die Untersuchung zulässt.

Geschichte und Entwicklung

Röntgens Entdeckung: eine in schwarzen Karton gehüllte Röhre und daneben ein Leuchtschirm, der trotzdem aufleuchtet.

Am Abend des 8. November 1895 untersuchte Wilhelm Conrad Röntgen, Professor für Physik in Würzburg, eine elektrische Entladung in einer mit schwarzem Karton umhüllten Röhre. Ein mit Bariumplatincyanür beschichteter Papierschirm, der in einiger Entfernung lag, leuchtete bei jedem Einschalten auf, obwohl kein Licht den Karton verlassen konnte. In den folgenden Wochen arbeitete er allein und zeigte, dass die unbekannten Strahlen Papier, Holz und Fleisch durchdrangen, von Knochen und von Metallen wie Blei aber viel stärker geschluckt wurden. Am 22. Dezember fotografierte er die Hand seiner Frau Anna Bertha mit den Knochen und ihrem Ring. Seine Mitteilung „Über eine neue Art von Strahlen“ erschien Ende des Monats.

Ab Anfang 1896 zeigte die Platte dem Chirurgen, wo eine Nadel oder eine Kugel steckte, bevor er schnitt.

Die Nachricht verbreitete sich mit außerordentlicher Geschwindigkeit, und binnen eines Jahres erschienen rund tausend Arbeiten über Röntgenstrahlen. Anfang 1896 bauten Herbert Jackson in London und andere Fokusröhren mit Hohlkathode und schrägem Metallziel, die viel schärfere Bilder lieferten. Chirurgen suchten damit Kugeln und Nadeln; Krankenhäuser richteten Röntgenräume ein. Röntgen erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.

Die Gefahr wurde zunächst nicht erkannt. Verbrennungen und Haarausfall wurden schon 1896 gemeldet, und viele frühe Anwender trugen entstellende Verletzungen davon; Clarence Dally, Thomas Edisons Assistent, starb 1904 nach jahrelanger Strahlenbelastung. Bleischirme, Dosisgrenzen und Ausbildung folgten. 1912 zeigte Max von Laues Arbeitsgruppe durch Beugung an Kristallen, dass Röntgenstrahlen Wellen sind, und eröffnete damit die Erforschung von Kristallstrukturen. Die Computertomografie, die aus vielen Röntgenmessungen Schnittbilder errechnet, brachte Godfrey Hounsfield und Allan Cormack 1979 den Nobelpreis.