15. Mai 2010, Neue Zürcher Zeitung / NZZexecutive

Dank Röntgenstrahlen die Natur besser kennenlernen

Errungenschaften der Technik

Ein heutiges Röntgenbild: Das Röntgen-Prinzip blieb stets das gleiche. (Bild: PD)

Lucien F. Trueb

Mit den nach ihm benannten Strahlen gab 1895 Wilhelm Conrad Röntgen der Medizin, Biologie, Analytik und Festkörperphysik ein Werkzeug in die Hand, das unser Verständnis der Natur ständig bereichert. Röntgen erhielt 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.

Röntgen entdeckte «seine Strahlen» an der Universität Würzburg, wo er seit 1888 Physik lehrte. Er experimentierte abends gerne allein und erforschte Phänomene in Gasentladungsröhren. Ultraviolettstrahlung wies er mit einem Stück Karton nach, das mit dem fluoreszierenden Zinksulfid beschichtet war. Eines Abends bemerkte er, dass das Zinksulfid hell leuchtete, obwohl seine Entladungsröhre lichtdicht verpackt war. Er kam zum Schluss, dass die Röhre eine bisher unbekannte Strahlung abgab. Sie durchdrang Karton, Holz, Körpergewebe und Aluminium fast mühelos, wurde aber von Schwermetallen wie Blei absorbiert. 1895 wurden erste Ergebnisse publiziert, innerhalb eines Jahres gab es schon praktische Anwendungen der Röntgenstrahlung in der Medizin und der Technik.

Immer noch dasselbe Prinzip

Röntgen hatte einen bisher unbekannten Teil des elektromagnetischen Spektrums erschlossen, der kurzwelliger ist als Ultraviolettstrahlung und langwelliger als Gammastrahlung aus dem Atomkern. Ihre Wellenlänge entspricht etwa dem Durchmesser eines Atoms. Röntgens Verfahren zur Erzeugung von Strahlung hat sich bis heute nicht verändert. Ein Wolfram-Glühdraht emittiert Elektronen, die auf hohe Spannung beschleunigt werden, bevor sie auf eine Metallelektrode prallen. Die beim Abbremsen der Elektronen frei werdende Energie wird in der Form von Röntgenstrahlen emittiert. Dazu kommt noch Strahlung, die aufgrund der Anregung kernnaher Elektronen entsteht. Bei Röntgens Röhre prallten die Elektronen auf die Glashülle, doch das Prinzip war dasselbe.

Knochen und Ehering

Noch im 19. Jahrhundert entwickelten sich zwei verschiedenartige Röntgenkulturen: eine medizinische und eine physikalisch-chemische. Die absolut erste Durchleuchtung führte Röntgen 1895 selbst durch. Das Objekt war die Hand seiner Frau: Das Bild zeigte sämtliche Knochen und den Ehering. Es handelte sich wie bei den heutigen Röntgenbildern um ein inhomogenes Schattenbild, das aufgrund der unterschiedlichen Absorption der durchstrahlten Gewebe zustande kam. Natürlich wurde mit der Zeit die Radiografie digitalisiert, was unter anderem eine Kontrasterhöhung ermöglichte. Zu den klassischen röntgenografischen Methoden ist in den 1970er Jahren die Röntgentomografie gekommen. Damit werden bestimmte Körperteile schichtweise abgebildet und zu einem dreidimensionalen Bild verarbeitet.

Schon 1912 gelang Max von Laue die Aufnahme des Röntgenbeugungsdiagramms von Zinksulfid- und Kupfersulfatkristallen. Daraus konnte er ihre Struktur bestimmen, das heisst die räumliche Anordnung und die Abstände der Atome. Ein Jahrhundert später ist diese Technik immer noch von grösster Bedeutung, vor allem für die Biochemie. Verfügt man nämlich über eine kristallisierte Probe eines Proteins, so lässt sich aus der Intensität und der Lage Tausender von Reflexen in Streubild die räumliche Struktur des Moleküls mit der Position aller wichtigen Atome bestimmen. Dank dem Computer erfolgt dies selbst bei komplizierten Molekülen fast automatisch.

Klare Zuordnung möglich

Zu den wichtigsten analytischen Röntgentechniken gehört die Röntgenfluoreszenz. Man bestrahlt die unbekannte Probe mit starken Röntgenstrahlen (in der Mikrosonde sind es Elektronen) und regt damit die für jedes Element charakteristischen Energieübergänge der Elektronen an. Die sekundär erhaltenen Linien können sehr leicht den vorhandenen Elementen zugeordnet werden, auch quantitativ. Äusserst nützlich für die Identifikation von kristallinen Phasen ist das Debye-Scherrer-Diagramm: Um es aufzunehmen, genügt eine winzige Pulverprobe. Vom Diagramm können die Abstände der für jede Substanz charakteristischen Gitterebenen genau abgelesen werden.

Der Physiker Walter Gerlach schrieb zu Recht: «Alles, was wir über die belebte und die unbelebte Materie wissen – vom Bau der Atome über die Kristalle der Natur und die Werkstoffe der Technik bis zu Gen und Chromosom –, haben uns die Röntgenstrahlen gelehrt.»

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