røntgenstråling

I et røntgenrør accelereres elektroner til høj energi i et elektrisk felt, hvorefter de bringes til standsning ved kollision med anoden. Opbremsningen frembringer i sig selv et kontinuert spektrum. Hvis energien er høj nok til at rive de inderste, 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.

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. På de rette sektioner passerer elektronerne en periodisk struktur af magnetfelter med vekslende retning. Herved fremhæves visse bølgelængder, og der genereres røntgenstråling, hvis egenskaber nærmer sig laserlysets.

Naturlige røntgenkilder findes ikke på Jorden, men med satellitbaserede røntgenteleskoper, der kan opfange strålingen, før den absorberes i atmosfæren, er der identificeret en lang række røntgenkilder i Universet, se røntgenastronomi.

Den direkte årsag til, at røntgenstråling blev opdaget, var fluorescens fra bariumplatincyanid, et stof, som W.C. Röntgen brugte til at synliggøre katodestråler, og som tilfældigt blev ramt af røntgenstrålerne. Den samme effekt udnyttes i scintillationsdetektoren, hvor fluorescensen detekteres med en fotomultiplikator. 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.

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.

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.

M. von Laues opdagelse i 1912 af diffraktion af røntgenstråling blev 1912-14 fulgt op af W.H. Bragg, der sammen med sin søn W.L. 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.

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), der gør det muligt at bestemme grundstofsammensætningen af minimale stofmængder ud fra deres karakteristiske røntgenspektrum (se røntgenspektroskopi).

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, der 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.

8.11.1895 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 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 Über eine neue Art von Strahlen 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.

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 C.G. Barkla fandt, at røntgenstråler, der reflekteres af en grafitblok, udviser polarisationseffekter, og beviset kom i 1912, da 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 alt stof og al stråling indeholder begge dele. 1923-25 viste A.H. Compton, at røntgenstrålers spredning på individuelle elektroner kan beskrives som en kollision mellem to partikler, og hans arbejder var den direkte anledning til, at G.N. Lewis i 1926 indførte betegnelsen foton for partikelaspektet af elektromagnetisk stråling.