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19-03-2020 | Werkstoffprüfung + Materialanalyse | Im Fokus | Article

Röntgen hat Zukunft

Author:
Dieter Beste
3:30 min reading time

"Ich fühle mich nur wohl, wenn ich experimentieren kann", soll Wilhelm Conrad Röntgen gesagt haben. Vor 125 Jahren entdeckte er die nach ihm benannte Röntgenstrahlung – unentbehrlich unter anderem in der Werkstofftechnik.

 

Bei Arbeiten in seinem Labor im Physikalischen Institut der Universität Würzburg entdeckte Wilhelm Conrad Röntgen vor 125 Jahren, dass eine Entladungsröhre Kristalle zum Fluoreszieren anregte, und zwar selbst dann, wenn er das Licht der Röhre mit einem schwarzen Karton abdeckte. Er schloss daraus, dass ein unsichtbares Licht aus der Röhre den Karton durchdrungen haben musste – er nannte es "X-Strahlen". In wenigen Monaten gelang es ihm, die wesentlichen Eigenschaften dieser neuen Art von Strahlung zu beschreiben; 1901 bekam er für seine Entdeckung den ersten Physiknobelpreis überhaupt.

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Methoden der Röntgenanalytik

Beim Durchgang durch Kristalle wird Röntgenstrahlung elastisch gestreut. Das führt zu einer Beugung (englisch: diffraction) der elektromagnetischen Strahlung an den Elektronen der Atome. Die Kristallstrukturanalyse (X-ray crystallography), auch …

Den Weg dieser bahnbrechenden Entdeckung in die Praxis hat Walter Beier in der Biografie Wilhelm Conrad Röntgen nachgezeichnet und ein Stück Wissenschaftsgeschichte für den Leser zu neuem Leben erweckt. Röntgens wissenschaftliches Wirken dürfe jedoch nicht nur auf diese eine großartige Entdeckung, reduziert werden, sagt Uwe Busch, Direktor des Deutschen Röntgen-Museums; Busch hat ganz aktuell eine Kurzbiografie des Physikers veröffentlicht. "Er war insgesamt ein exzellenter Naturforscher, sein Forschergeist ist heute noch Beispiel für viele Wissenschaftler. Auch sein Spezialgebiet der Präzisionsphysik ist aktueller denn je." Die nach Röntgen benannte Strahlung ist nicht nur eines der wichtigsten Instrumente der Medizin, sondern sie eignet sich ebenso zur Durchmusterung des Alls oder – ein wichtiges Thema bei springerprofessional.de – zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung.

Röntgenstrahlung ist eine masselose, elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 0.001 bis 10 Nanometer, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitet. In "Moderne Röntgenbeugung" beschreiben Lothar Spieß, Gerd Teichert, Robert Schwarzer, Herfried Behnken und Christoph Genzel eingangs detailliert sowohl die Erzeugung als auch die Eigenschaften von Röntgenstrahlung und streifen ab Seite 5 auch kurz die technische Entwicklung: Die ersten Röntgenröhren waren Kathodenstrahlröhren, ein evakuiertes Glasgefäß mit drei eingeschmolzenen metallischen Elektroden. Eine Hochspannung, damals aus einem Funkeninduktor erzeugt, wurde zwischen zwei Anschlüsse angelegt. Die dritte Elektrode diente als Hilfsanode. Aber schon 1911 entwickelte J.E. Lilienfeld die heute noch eingesetzte Technik der Glühkathodenröhren. Der technisch relevante Energiebereich der Röntgenstrahlung liege zwischen 3 und 650 Kiloelektronenvolt. Neben Röntgenstrahlen würden heute zur Strukturuntersuchung von Materialien zunehmend auch andere Quellen mit noch energiereicherer, aber vor allem intensitätsreicherer Strahlung wie Synchrotron- und Teilchenstrahlung (Neutronen) genutzt, so die Springer-Autoren.

Doch auch 125 Jahre nach ihrer Entdeckung gehören Röntgenstrahlen im Bereich der Werkstofftechnik längst nicht zum alten Eisen. In "Elektrodynamik" erklären Dietmar Petrascheck und Franz Schwabl ab Seite 393 die in der Werkstoffprüfung und bei Materialanalysen tagtäglich genutzte Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materie, die Röntgen-Streuung. Im Einzelnen betrachten die Autoren die unterschiedlichen Streuungsarten dieser elektromagnetischen Wellen: Thomson-Streuung, Streuung an einer Ladungsverteilung, Streuung an einem Kristallgitter und die Dynamische Beugung. 

Unentbehrlich in der Werkstoffprüfung

Eine Einordnung der Röntgenstrahlprüfung in die zahlreichen unterschiedlichen Werkstoffprüfverfahren der industriellen Praxis unternimmt Hans-Jürgen Bargel in "Werkstoffkunde" auf Seite 167: So nutzt die zerstörungsfreie Durchstahlprüfung den Effekt, dass die kurzwelligen elektromagnetischen Strahlen beim Durchdringen eines metallischen Bauteils abgeschwächt werden. "Befindet sich nun in dem Bauteil eine Werkstofftrennung mit nennenswerter Ausdehnung, so werden die Strahlen dort nicht abgeschwächt. Die Intensität der Strahlung hinter dem Bauteil ist folglich in diesen Bereichen höher" - und die so detektierten Defekte lassen sich entsprechend abbilden und analysieren. Weitere unentbehrliche Verfahren in der heutigen Praxis der Werkstoffprüfung sind die Röntgenspektroskopie und die Röntgenfeinstrukturuntersuchung, auf die Bargel ebenfalls eingeht (ab Seite 171). 

Spurensuche in der "Welt des Unsichtbaren"

125 Jahre Röntgenstrahlung – die Deutsche Physikalische Gesellschaft (DPG) möchte in diesem Jubiläumsjahr mit einer Sonderausgabe seiner Reihe "Physikkonkret" zur weiteren Popularisierung der Röntgenstrahlung beitragen. Und das Deutsche Röntgen-Museum lädt 2020 zusammen mit den Reiss-Engelhorn-Museen zu einer Spurensuche in die "Welt des Unsichtbaren" ein. Hierzu wurde ein Fahrzeug als "X-perimente Mobil" ausgestattet, das als mobiler Botschafter für das "Röntgenjahr" vielfältige und spannende Experimente in den Schulunterricht bringen soll. 
 

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2019 | OriginalPaper | Chapter

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Elektrodynamik

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Werkstoffkunde

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Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA)

Source:
Analytische Chemie I

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