røntgenstråling

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.

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 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.

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.

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.

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.

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).

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.

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.