Wilhelm Conrad Röntgen
von Johannes Tschofen
Lennep, Am Gänsemarkt 1, so lautete die Anschrift des hoch angesehenen Kaufmanns und Tuchfabrikanten Friedrich Conrad Röntgen und seiner Frau Charlotte Constanze geb. Frowein. In ihrem heute noch existierenden Hause kam am 27. März 1845 ein Sohn zur Welt, der auf den Namen Wilhelm Conrad getauft wurde.Wilhelm Conrad hatte keine Geschwister. Seine Eltern waren miteinander verwandt (Vetter und Base) - wohl eines jener seltenen Beispiele, bei denen aus einer Verwandtenehe eine hochbegabte Persönlichkeit hervorgeht. Einige Jahre später wanderte die Familie Röntgen, vermutlich aus wirtschaftlichen Gründen, nach Apeldoorn in den Niederlanden aus. Wilhelm Conrad Röntgen besuchte die Schulen in Apeldoorn und Utrecht, erhielt gute Zeugnisse, doch das Abitur blieb ihm versagt.
Schließlich fand er am neu eingerichteten Eidgenössischen Polytechnikum in Zürich doch noch Zugang zu einem ordentlichen Studiengang. Hier gab es die Möglichkeit, ohne Abitur nach einer strengen Aufnahmeprüfung, die man ihm wegen seiner guten Zeugnisse erließ, zu studieren. Er betrieb das Studium des Maschinenbaus mit großem Ernst und Interesse und besuchte nebenher zur Weiterbildung andere Veranstaltungen, die ihn besonders interessierten, vor allem über Kunst, Literatur und Geschichte. Nach bestandener Diplomprüfung verlobte sich mit Anna Bertha Ludwig.
Der vierundzwanzigjährige Röntgen begann nun Physik zu studieren und promovierte bereits 1869 zum Dr. Phil. mit einer bemerkenswerten Arbeit über Probleme aus der Thermodynamik.
Doch uns ist er besser Entdecker der "X-Strahlen" oder Röntgenstrahlen bekannt. Die Entdeckung war aber keineswegs geplant, sondern spielte sich so ab:
In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts untersuchte man verstärkt den Transport elektrischer Ladungen in Gasen. So auch W. C. Röntgen. Man benutzte dafür sogenannte Entladungsröhren, in denen ein Vakuum herrschte und die folgendermaßen aufgebaut waren.
Die Kathode bestand aus einem heißen Glühdraht, welcher Elektronen produzierte. Zwischen Kathode und Anode wird eine sehr hohe Spannung angelegt, welche die Elektronen stark beschleunigt. Dazu muss man wissen, dass man damals in der Physik die Elektronen noch nicht kannte. Alles, was man sah, war, dass zwischen den beiden Elektroden ein schmaler Streifen glühte. Es war nicht klar, ob dies Teilchen oder Wellen waren. Man nannte diese Art von Strahlung "Kathodenstrahlen".
Röntgen, der eigentlich auf einem ganz anderen Gebiet arbeitete, wollte die gemachten Experimente selber noch mal durchführen. Vielleicht wunderte es ihn, dass sich Fotoplatten neben der Entladungsröhre leicht schwärzten und er untersuchte dies. Man führte damals die Schwärzung auf UV-Licht zurück - aber Röntgen glaubte wohl nicht an diese Vorstellung.
Es gibt sonst nämlich auch keinen offensichtlichen Grund, weshalb Röntgen den folgenden, entscheidenden Versuch gemacht haben sollte.
Also, egal ob er eine unsichtbare Strahlung vermutete oder nicht, er nahm eine einfache Änderung am bekannten Versuchsaufbau vor. Er benutzte immer noch die gleiche Röhre, die er mit einer Vakuumpumpe so luftleer wie damals möglich machte. Die Spannung, die zur Beschleunigung der Elektronen benötigt wurde, erzeugte er mit einem Funkeninduktor. Er bedeckte die Röhre nun aber völlig mit schwarzer Pappe, sodass weder normales noch UV-Licht durchkommen konnte. Als plötzlich der Schirm aus fluoreszierendem Material aufleuchtete, war Röntgen sofort klar, dass es eine neue Art von unsichtbaren Strahlen gab, die durch Materie (Stoffe) durchging. Es ist nicht überliefert, was Röntgen in diesem Augenblick gedacht hat, ob er sich der historischen Bedeutung bewusst war - auf jeden Fall muss es unglaublich spannend und aufregend gewesen sein!
Dadurch, dass er die Röhre mit schwarzer Pappe abgedeckt hatte, konnte normales (für das menschliche Auge sichtbares) Licht nicht hinausdringen. Da nun trotzdem ein Schirm im Raum aufblitzte, folgerte Röntgen richtig, dass es eine unbekannte, unsichtbare Art von Strahlen geben musste.
Doch hatte er ja noch keine Ahnung, wieso und wo diese Strahlen überhaupt entstanden! Diesen Fragen ging er in den nächsten 6 Wochen mit unbeschreiblicher Gewissenhaftigkeit nach, ohne irgend jemandem davon zu erzählen. Seiner Frau sagte er nur: "Die anderen würden denken, ich bin total durchgedreht!" Sogar sein Bett verlegte er in sein Labor!
Seine Gründlichkeit ging so weit, dass er in diesen 6 Wochen so viel über diese neuen X-Strahlen (so nannte er sie) herausfand, dass in dem folgenden Jahrzehnt, trotz massiven Aufwandes vieler Physiker, kaum neue Erkenntnisse erzielt werden konnten.
1917 erhielt er den Nobelpreis für seine Forschungsarbeit.
Woher kommen die Röntgenstrahlen:
Sie werden generell immer dann erzeugt, wenn Elektronen bzw. ein Kathodenstrahl auf Material trifft. Es gibt jedoch zwei verschiedene Möglichkeiten, wie bei diesem Aufprall Röntgenstrahlen entstehen können. Deswegen unterscheidet man zwischen charakteristischer Strahlung und Bremsstrahlung.
Zur charakteristischen Strahlung:
Die Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung beginnt damit, dass Elektronen, die auf ein Material geschossen werden, Elektronen aus den Bahnen der Atome herausschießen.
Wenn nun ein Elektron aus seiner Bahn rausgeschossen worden ist, hinterlässt es dort ein "Loch". Dieses wird nun dadurch gefüllt, dass ein Elektron aus einer äußeren Schale in das Loch hineinspringt. Dabei wird Energie frei, welche sich in Form von Licht, nämlich Röntgenlicht, äußert. Dieses Licht, das immer dann auftritt, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere Bahn springt, wird charakteristische Röntgenstrahlung genannt.
Wichtig ist bei dem ganzen eben beschriebenen Vorgang, dass die heranfliegenden Elektronen nur Elektronen mit gleicher oder niedrigerer Energie herausschießen können. Auch ist das Licht, das beim Nachfüllen eines Elektrons der inneren Schale erzeugt wird, energiereicher als wenn ein Loch auf einer der äußeren Schalen gefüllt wird. Es gibt also immer anderes Licht (in der Wellenlänge verschieden), abhängig davon, aus welcher Schale ein Elektron rausflog und aus welcher Schale das nachfüllende kam.
Anhand dieser Strahlung kann der Physiker auf das Material zurückschließen, auf das geschossen wurde. Das liegt daran, dass jeder Stoff anders angeordnete Schalen bzw. Energieniveaus hat und damit ein für ihn typisches Spektrum charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist.
Zur Bremsstrahlung:
Röntgenstrahlung wird normalerweise durch das Abbremsen schneller Elektronen an der Oberfläche einer Metallanode erzeugt. Die kinetische Energie der Teilchen wird in thermische Energie und Röntgenstrahlung umgewandelt. Je höher die Energie der Elektronen beim Aufprall, desto höher ist die Frequenz der entstehenden Welle. Ein Elektron kann maximal seine gesamte Energie abgeben. Die kleinstmöglichsten Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen liegt an der kurzwelligen Grenze des Röntgenspektrums.
Eigenschaften der Röntgenstrahlung:
- Röntgenstrahlen durchdringen Materie, d.h., sie werden nur selten von den Atomen absorbiert.
- Röntgenstrahlen sind unsichtbar für das menschliche Auge, da sie zu kurzwellig sind (nicht mehr in dem von uns sehbaren Spektrum).
- Röntgenstrahlen sind weder durch elektrische noch magnetische Felder ablenkbar.
- Die Röntgenstrahlen beschädigen die DNS und können somit Krebs hervorrufen. Allerdings nur, wenn man den Strahlen übermäßig ausgesetzt ist. Nach Modellrechnungen entsprechen vier Mundfilme oder eine Gebissübersichtsaufnahme dem Risiko einer Zigarette oder einer 9600 Kilometer langen Flugreise, bei der man der natürlichen Strahlung ausgesetzt ist.
Nach dem 1. Weltkrieg und insbesondere nach dem Tod seiner Frau fühlte sich Röntgen zunehmend einsam und krank. 1923, im Alter von 78 Jahren verstarb Röntgen an einem Darmkarzinom. Er wurde auf dem Alten Friedhof in Gießen im Familiengrab beigesetzt. Dort ruhen auch seine Eltern und seine vier Jahre zuvor verstorbene Frau. Röntgens wissenschaftlicher Nachlass wurde aufgrund seiner testamentarischen Verfügung zum größten Teil verbrannt. Alle physikhistorischen Nachforschungen wurden dadurch erheblich erschwert. Sein verbliebenes Vermögen kam wohltätigen Zwecken zugute.
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