Det første fotografi optaget med røntgenstråler. Det blev taget af W.C. Röntgen og stammer fra den 22. december 1895; det viser efter sigende knoglerne i hans hustrus hånd. Hun bærer en ring på ringfingeren.

.

W.C. Röntgens laboratorium med de instrumenter, hvormed han opdagede røntgenstråling i 1895. På skabet i baggrunden står tv. det elektriske udstyr, der leverer højspænding til udladningsrøret (kolben) th. Det sindrige apparat, som med glasrør er forbundet til kolben, er en mekanisk pumpe, hvormed man ved at hæve og sænke en beholder med kviksølv kan tømme kolben for luft. Gravering af Eugen Dieterich fra slutningen af 1800-t.

.

Røntgenstråling er elektromagnetisk stråling med bølgelængder fra ca. 10 nm til 0,001 nm (10-8-10-12 m), afgrænset mod længere bølgelængder af ultraviolet stråling og mod kortere bølgelængder af gammastråling.

Faktaboks

Etymologi

Røntgenstråling er opkaldt efter den tyske fysiker Wilhelm Conrad Röntgen (1845-1923) der opdagede røntgenstråling i 1895.

Frembringelse og detektion

Som anden elektromagnetisk stråling frembringes røntgenstråling, når frie ladede partikler, oftest elektroner, bremses eller accelereres, eller når elektroner, der er bundet til en atomkerne, overgår til en stærkere bundet tilstand.

Røntgenrør

Spektrum fra røntgenrør
Et spektrum af stråling fra et røntgenrør med en Rhodiumanode. Den kontinuerte del ses som en bred fordeling af energier, mens den karakteristiske del ses som linier med høj intensitet.

I et røntgenrør accelereres elektroner, der frigøres fra en opvarmet katode, til høj energi i et elektrisk felt, hvorefter de bringes til standsning ved kollision med anoden. Herved opstår den såkaldte bremsestråling, der frembringer et kontinuert spektrum. Denne del af spektret er uafhængig af anodematerialet.

Hvis energien er høj nok til at rive de inderste og stærkest bundne elektroner løs fra atomkernerne i anodematerialet, frembringes desuden et linjespektrum, når de herved skabte huller i de inderste elektronskaller bliver udfyldt af løsere bundne elektroner. Disse spektrallinjers energi er afhængige af anodematerialet. Jo tungere atom, dvs. jo højere oppe i det periodiske system atomet er, jo højere energi og dermed kortere bølgelængde.

Synkrotronstråling

Langt mere intens røntgenstråling skabes i synkrotroner, hvor elektroner accelereres til hastigheder nær lysets og derefter bringes til at cirkulere i en lagerring, udformet med skiftevis rette og krumme sektioner. Ved passage af en krum sektion udsendes elektromagnetisk stråling (synkrotronstråling) af alle bølgelængder ned til en mindsteværdi, der afhænger af elektronernes hastighed og radius i krumningen.

I de rette sektioner kan man placere arrangementer af magneter, der gør, at elektronerne skal igennem en periodisk struktur af magnetfelter med vekslende retning. Herved fremhæves visse bølgelængder, og der genereres røntgenstråling, hvis egenskaber nærmer sig laserlysets.

Naturlige røntgenkilder

Naturlige røntgenkilder findes ikke på Jorden, men med satellitbaserede røntgenteleskoper, der kan opfange strålingen, er der identificeret en lang række røntgenkilder i universet, se røntgenastronomi. Disse kilder er en følge af synkrotronstråling, men strålingen fra dem bliver effektivt absorberet af jordens atmosfære.

Detektion

Den direkte årsag til, at røntgenstråling blev opdaget, var fluorescens fra bariumplatincyanid, et stof, som W.C. Röntgen brugte til at synliggøre katodestråler, dvs elektronstråler fra en opvarmet katode, og som tilfældigt blev ramt af røntgenstrålerne.

Den samme effekt udnyttes i scintillationsdetektoren, hvor fluorescensen detekteres med en fotomultiplikator, der kan forstærke signalet fra de svage lysglimt scintillatormaterialet udsender når det rammes af stråling.

Andre detektorer er baseret på, at en røntgenfoton indeholder energi nok til at ionisere et stort antal atomer (geigertæller) eller til at skabe et stort antal elektron-hulpar i et halvledermateriale (faststofdetektor). I begge tilfælde omsættes fotonen til en spændingsimpuls, hvis højde er et direkte mål for fotonens energi.

Anvendelser

Diagnostik og materialundersøgelser

Foruden medicinsk diagnostik (se radiologi), der nu rækker fra rutinekontrol mod caries til CT-scanning, forudså Röntgen allerede i sin første publikation to andre anvendelser: synliggørelse af skjulte genstande, der i dag er en fast rutine i alle lufthavne, og synliggørelse af strukturelle fejl i metaller, der er en vigtig industriel anvendelse i forbindelse med produktkontrol. Se også røntgenundersøgelse.

Terapi

Allerede fra 1899, fire år efter opdagelsen af røntgenstrålerne, begyndte læger at eksperimentere med røntgenterapi mod sygdomme som kræft og tuberkulose. Baggrunden herfor er den ioniserende virkning, der ødelægger de ondartede celler, men også ved overdosering leder til stråleskader; se strålingsbiologi.

Røntgendiffraktion

Den tyske fysiker Max von Laues opdagelse i 1912 af diffraktion af røntgenstråling blev 1912-14 fulgt op af briten William H. Bragg, der sammen med sin søn William Lawrence Bragg udviklede feltet røntgendiffraktion, hvor stråling af kendt bølgelængde anvendes til at bestemme strukturen af faste stoffer. Denne teknik er også grundlag for kendskabet til strukturen af makromolekyler som fx DNA.

Måling af grundstofsammensætning

Omvendt kan man benytte en kendt gitterstruktur til at bestemme den spektrale fordeling af røntgenstråling fra forskellige anodematerialer. Det fører til analysemetoder som PIXE (eng. Proton Induced X-ray Emission) og EIXE (eng. Electron Induced X-ray Emission). Disse metoder benytter begge en partikelstråle til at excitere elektronerne i det materiale, der skal undersøges. Når elektronerne i de exciterede atomer falder på plads igen udsender de stråling, der er karakteristisk for det pågældende atom. Dette gør det muligt at bestemme grundstofsammensætningen af minimale stofmængder ud fra deres karakteristiske røntgenspektrum (se røntgenspektroskopi).

Røntgenmikroskopi

Opløsningsevnen for optiske instrumenter er bestemt af lysbølgelængden, idet den vokser med aftagende bølgelængde. Med de teknikker, der anvendes i mikroelektronikken, kan man fremstille fresnellinser, som kan fokusere røntgenstråler, og i kombination med intens stråling fra synkrotroner har det muliggjort røntgenmikroskoper med ti gange bedre opløsningsevne end optiske mikroskoper. Det er langtfra, hvad man kan opnå med elektronmikroskoper, men røntgenmikroskopets styrke er, at det muliggør studier af levende biologisk materiale, fx at følge livscyklus for en malariaparasit, der har invaderet et rødt blodlegeme, eller studere et protein, mens det ændrer sin struktur.

Historie

Wilhelm Conrad Röntgen. Tv. fotografi fra 1896. Den 8. november året før under arbejdet med et katodestrålerør opdagede Röntgen, at en nærtliggende plade imprægneret med bariumplatincyanid fluorescerede. Han fremstillede i løbet af kort tid afbildninger på fotografiske film af vægtlodder og af knoglerne i hustruens venstre hånd. Th. ses titelbladet fra Röntgens videnskabelige artikel om opdagelsen af strålerne fra 1896. Hans ene fornavn er fejlagtigt anført som Konrad.

.

Den 8. novenber 1895 udførte Röntgen en serie eksperimenter med katodestråler, der udsendes fra den negative elektrode (katoden) af et udladningsrør. Karakteristisk for katodestrålerne, der få år senere blev identificeret som elektroner, var dels deres ganske korte rækkevidde i atmosfærisk luft, dels at de i kraft af deres elektriske ladning kan afbøjes af et magnetfelt.

Röntgen opdagede imidlertid, at der fra det sted, hvor katodestrålerne ramte udladningsrørets positive elektrode (anoden), udgik stråling med helt andre egenskaber. Denne stråling, som han gav navnet x-stråler, havde langt længere rækkevidde og kunne trænge igennem materialer som pap og træ. Strålingen udbredte sig retlinjet på samme måde som lys, den kunne sværte en fotografisk plade, og genstande af metal kastede veldefinerede skygger.

Röntgen var helt bevidst om perspektiverne i sin opdagelse, og sammen med sit manuskript Eine neue Art von Strahlen ('En ny slags stråling') indleverede han bl.a. et fotografi, der viste knoglerne i hustruens hånd.

Inden udgangen af januar 1896 havde beretningen om stråling, der kunne passere igennem stof, nået dagspressen over hele Europa og USA. Den vakte en helt enestående genklang både i offentligheden og i den videnskabelige verden.

Röntgen modtog i 1901 den første Nobelpris i fysik for sin opdagelse af røntgenstrålingen.

Bølger eller partikler?

Som det hundrede år tidligere havde været tilfældet for synligt lys, var det uklart for Röntgen, om x-strålerne, som de stadig kaldes i den engelsktalende verden (x-rays), var bølger eller partikler, og pga. den korte bølgelængde var hans forsøg på at påvise bølgekarakter gennem interferens og diffraktion resultatløse.

Den første antydning af et slægtskab med lys kom i 1906, da den britiske fysiker Charles Glover Barkla fandt, at røntgenstråler, der reflekteres af en grafitblok, udviser polarisationseffekter, og beviset kom i 1912, da Max von Laue foreslog to medarbejdere, Walther Friedrich (1883-1968) og Paul Knipping (1883-1935), at benytte en krystal som diffraktionsgitter. De fandt, at røntgenstråler, der passerer gennem en enkrystal af zinksulfid, frembringer et diffraktionsmønster, der ganske svarer til, hvad man ser, når synligt lys passerer gennem et optisk gitter. Ud fra kendskab til den omtrentlige afstand mellem atomerne kunne de bestemme strålingens bølgelængde til under 1 nm.

Udviklingen i forståelsen af røntgenstråling forløb parallelt med udviklingen i fysikken, der gradvist førte til erkendelse af, at spørgsmålet: "Bølger eller partikler?" er forkert stillet, fordi alle partikler og al stråling besidder egenskaber fra begge dele. Dette kaldes også bølge-partikel-dualitet.

1923-1925 viste den amerikanske fysiker Arthur Holly Compton, at røntgenstrålers spredning på individuelle elektroner kan beskrives som en kollision mellem to partikler, og hans arbejder var den direkte anledning til, at den amerikanske kemiker Gilbert Newton Lewis i 1926 indførte betegnelsen foton for partikelaspektet af elektromagnetisk stråling.

Læs mere i Den Store Danske

Kommentarer

Kommentarer til artiklen bliver synlige for alle. Undlad at skrive følsomme oplysninger, for eksempel sundhedsoplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer, når de kan.

Du skal være logget ind for at kommentere.

eller registrer dig