Doppeltes Jubiläum: Vor 175 Jahren wurde Wilhelm Conrad Röntgen geboren – der Entdecker der gleichnamigen Strahlung. Er bemerkte als Erster, dass bestimmte elektromagnetische Wellen durch Materialien hindurchdringen und beispielsweise das Innere unseres Körpers wie auf einem Foto abbilden können. Dieser Geniestreich ist 125 Jahre her. Doch bis heute spielen die Strahlen, die damals ganz neue Einsichten ermöglichten, eine herausragende Rolle für Medizin, Naturwissenschaft und Technik.

Die Entdeckung der Röntgenstrahlung durch Wilhelm Conrad Röntgen gilt als ein Meilenstein in der Medizingeschichte. Ärzte waren damit ihrem alten Traum vom gläsernen Menschen auf einmal ein gutes Stück näher – und diese Tatsache hatten sie einem Zufall zu verdanken. Denn der deutsche Physiker war den Röntgenstrahlen „aus Versehen“ auf die Spur gekommen.

Doch es lag nicht nur am Glück, sondern auch an seiner systematischen Vorgehensweise, dass Röntgen die Geheimnisse dieser mysteriösen neuen Strahlung schnell lüften und so den Weg für zahlreiche Anwendungen ebnen konnte. Heute werden Röntgenstrahlen in vielen Bereichen des Alltags und der Forschung genutzt. Im Gegensatz zu damals wissen wir inzwischen allerdings, dass beim Umgang mit den durchdringenden Strahlen Vorsicht geboten ist.

Fast hätte es Wilhelm Conrad Röntgen nicht an die Universität geschafft. Denn der heute weltberühmte Physiker musste die Schule ohne Abitur verlassen. Aber beginnen wir von vorne: Am 27. März 1845 wird Röntgen in Lennep – heute ein Stadtteil von Remscheid – geboren. Drei Jahre danach geht es für ihn und seine relativ wohlhabenden Eltern in die Niederlande, wo das Einzelkind später die Technische Schule in Utrecht besucht.

In dieser Bildungseinrichtung passiert dann das, was Röntgen beinahe die akademische Laufbahn gekostet hätte: Er wird von seinem Lehrer dabei erwischt, wie er eine Karikatur bewundert, die ein Mitschüler von dem strengen Pauker angefertigt hat. Röntgen verrät den Urheber nicht und bleibt trotz drohender Konsequenzen stumm. Als Folge wird er von der Schule verwiesen.

Ohne Abschluss an die Uni

Ohne Abitur kann sich der fleißige junge Mann später zunächst nur als Gasthörer in der Universität einschreiben. Dann aber erfährt er von einem Schweizer Bekannten, dass es in Zürich auch andere Möglichkeiten gibt. Wer bei einer Aufnahmeprüfung überzeugt, darf am dortigen Polytechnikum ohne Abitur ordentlich studieren.

Von da an läuft es für Röntgen wie am Schnürchen: Bereits nach drei Jahren in der Schweiz erhält er sein Diplom als Maschinenbauingenieur und macht eine wegweisende Bekanntschaft. Der Physik-Professor August Kundt weckt bei dem Absolventen die Faszination für physikalische Phänomene und veranlasst ihn dazu, ein Aufbaustudium in Physik zu beginnen. Dabei stellt sich Röntgen so gut an, dass Kundt ihn nach seiner Dissertation als Assistent an die Universität Würzburg mitnimmt.

Spannende Entdeckung in Würzburg

Auch privat läuft es gut für Röntgen: Am 19. Januar 1872 vermählt er sich mit Bertha Ludwig, die er seit seiner Studienzeit in Zürich kennt. Die Tochter eines Gastwirts heiratet damit einen zwar liebevollen, aber nicht ganz einfachen Mann. Denn Röntgen kann auch aufbrausend werden und über seine wissenschaftliche Arbeit von Zeit zu Zeit seine Familie vergessen.

Nach einer Zwischenstation in Gießen kehrt Röntgen 1888 mit seiner Ehefrau nach Würzburg zurück. Dort wird er als Professor für Experimentalphysik, Institutsleiter und zwischenzeitlich Rektor insgesamt zwölf Jahre lang tätig sein – und 1895 seine größte Entdeckung machen: die X-Strahlen, die später als Röntgenstrahlen bekannt werden.

Der erste Nobelpreis für Physik

Für diese Errungenschaft wird Röntgen wenige Jahre später sogar mit dem ersten Physik-Nobelpreis der Geschichte ausgezeichnet. Es ist nicht die erste und auch nicht die letzte Auszeichnung für den Physiker, dem der Trubel um seine Person bisweilen unangenehm ist. Röntgen hält seine Entdeckung für einen glücklichen Zufall und bleibt Zeit seines Lebens bescheiden.

Sogar gegenüber seinen Studenten verhält sich Röntgen zwar sehr streng, aber gleichzeitig fast schon schüchtern. So soll er bei seinen Vorlesungen angeblich so leise gesprochen haben, dass ihn nur die Hörer in den ersten Reihen verstanden. Seine Entdeckung behält jedoch über seinen Tod am 10. Februar 1923 hinaus enorme Bedeutung. Sein Labor im ehemaligen Physikalischen Institut der Universität Würzburg ist bis heute eine Pilgerstätte für Physik-Liebhaber und wissenschaftlich interessierte Touristen.

Wie so viele wissenschaftliche Errungenschaften haben wir Röntgens bahnbrechende Entdeckung einem Zufall zu verdanken. Der Forscher ist 1895 in Würzburg mit der Untersuchung der neu beschriebenen Kathodenstrahlen beschäftigt. Dafür experimentiert er mit einer sogenannten Gasentladungsröhre, in der durch eine hohe Spannung Elektronen stark beschleunigt werden. Als Folge beginnt das in der Röhre befindliche Gas zu leuchten.

Doch Röntgen bemerkt am 8. November noch einen weiteren Effekt: Im abgedunkelten Raum fallen ihm Lichtschimmer auf einem speziellen Leuchtschirm auf. Auch einige Kristalle, die in der Nähe der Experimentierröhre liegen, beginnen zu fluoreszieren. Es ist Licht, das es nach damaligem Kenntnisstand eigentlich nicht geben darf. Denn die Kathodenstrahlen sind viel zu schwach, um für dieses Phänomen verantwortlich zu sein.

Mysteriöse Strahlung

Aufgeregt geht der Physiker der merkwürdigen Erscheinung genauer nach. Zunächst umhüllt er seine Röhre mit schwarzem Papier, doch der Leuchteffekt bleibt. Röntgen schlussfolgert: Das Leuchten muss durch eine bisher unbekannte Strahlung „X“ zustande kommen, die durch Glas und sogar dunkles Papier hindurchdringen kann. Kann sie womöglich auch andere Materialien passieren? Um dies herauszufinden, durchleuchtet der Forscher unter anderem Holz, Gummi und Metall. Dabei stellt er fest, dass die mysteriösen Strahlen Materialien abhängig von deren Dichte unterschiedlich gut durchdringen. Nur Blei scheint die X-Strahlen ganz abhalten zu können.

Röntgen verrät anfangs niemandem etwas von seiner Entdeckung. Lediglich seiner Frau teilt er mit: „Ich mache etwas, von dem die Leute, wenn sie es erfahren, sagen würden: ‚Der Röntgen ist wohl verrückt geworden‘.“

Die ersten Röntgenbilder

Als begeisterter Hobbyfotograf kommt Röntgen schließlich auch auf die Idee, die Strahlung auf Fotoplatten zu lenken – und so das Innere der durchleuchteten Materie zu fotografieren. Auf diese Weise entstehen die ersten Röntgenbilder der Welt: unter anderem von einer Labortür, einem Jagdgewehr und der Hand von Bertha Röntgen. Sie liefern einen sichtbaren Beweis für die Existenz der unsichtbaren Strahlen.

Mit einigen dieser Aufnahmen ergänzt der Physiker seinen Bericht, mit der er am 28. Dezember 1895 die Entdeckung der X-Strahlung öffentlich macht – und sorgt für eine Sensation. Bilder, auf denen man innere Strukturen wie Handknochen erkennen kann, begeistern nicht nur die Wissenschaftswelt. Auch die breite Öffentlichkeit ist fasziniert von den neuen Strahlen, die die Welt auf einmal gläsern machen.

Aus X- werden Röntgenstrahlen

Am 23. Januar 1896 hält Röntgen auf Einladung der Physikalisch-Medizinischen-Gesellschaft zu Würzburg einen Vortrag zu „seiner“ Strahlung. Dabei fertigt er vor den Augen des Publikums eine Röntgenaufnahme der linken Hand des Anatomen Albert von Kölliker an. Dieser ist so begeistert, dass er einen Vorschlag macht, der sich zumindest im deutschen Sprachraum durchsetzen wird: Die X-Strahlen sollen in Röntgenstrahlen umbenannt werden.

Internationale Firmen bieten Röntgen schon bald Millionenbeträge für die Auswertung seiner Entdeckung an. Doch der Physiker verzichtet auf ein Patent und stellt die Nutzung allen Interessenten zum Wohle der Menschheit frei.

Während die Röntgenstrahlen schnell praktische Anwendung finden, versuchen Forscher in den Laboren vergebens, noch mehr über sie herauszufinden: Röntgen hat die neuartige Strahlung so gewissenhaft untersucht, dass erst mehr als zehn Jahre später neue Erkenntnisse zur Röntgenstrahlung gelingen.

Welche Eigenschaften hat die von Röntgen entdeckte Strahlung? Wie das sichtbare Licht besteht Röntgenstrahlung aus elektromagnetischen Wellen. Ihr Spektrum reicht von 0,001 bis zehn Nanometer Wellenlänge. Damit liegt sie zwischen dem ultravioletten Licht und der noch energiereicheren, kurzwelligeren Gammastrahlung, mit der sie sich in weiten Teilen überschneidet. Im Unterschied zur Gammastrahlung entsteht die Röntgenstrahlung allerdings nicht durch Vorgänge im Atomkern, sondern in der Hülle der Atome. Sie kommt durch hochenergetische Elektronenprozesse zustande.

Beschleunigte Elektronen

Die von Röntgen entdeckte Strahlung lässt sich künstlich in einer sogenannten Röntgenröhre erzeugen. In dieser luftleeren Glasröhre wird zwischen zwei Elektroden eine hohe Spannung angelegt und der Minuspol, die Kathode, stark erhitzt. Dadurch werden Elektronen frei und zur gegenüberliegenden Anode hin beschleunigt. Am Anodenmaterial wird ein Teil der dort auftreffenden Teilchen von den positiv geladenen Atomkernen angezogen und schlagartig abgebremst. Dabei wird Energie als Wärme und Bremsstrahlung frei, einer Form der Röntgenstrahlung mit kontinuierlichem Spektrum.

Parallel dazu entsteht sogenannte diskrete oder charakteristische Röntgenstrahlung: Die in der Röhre beschleunigten Elektronen schlagen Elektronen aus den inneren Schalen der Atome des Anodenmaterials heraus. Es entstehen Lücken, die von Elektronen aus weiter außenliegenden Schalen geschlossen werden. Die bei diesem Elektronenübergang freiwerdende Energie liegt typischerweise im Röntgenbereich. In der Natur entsteht die hochenergetische Strahlung zum Beispiel in Gewitterblitzen oder weit von der Erde entfernt im All.

Die Dichte ist entscheidend

Röntgenstrahlung ist für das menschliche Auge unsichtbar, kann aber bestimmte Stoffe zum Fluoreszieren anregen. Dies passiert mitunter auch im sichtbaren Wellenlängenbereich – das erklärt, warum Wilhelm Conrad Röntgen den Strahlen durch Leuchterscheinungen auf die Spur kommen konnte.

Röntgenstrahlen durchdringen viele – auch nicht durchsichtige – Materialien, ohne absorbiert oder abgelenkt zu werden. Sehr dichte Stoffe lassen einen Teil der Strahlung jedoch nicht hindurch. Dies ist auch der Grund, warum menschliches Gewebe auf Röntgenbildern in Abstufungen von weiß bis schwarz erscheint.

Knochen sind beispielsweise dichter als Muskeln und absorbieren einen großen Teil der Strahlung. Als Folge kommt weniger davon auf der Fotoplatte an und kann diese schwärzen, der entsprechende Bereich bleibt heller. Hohlräume und wasserreiche Gewebeteile lassen im Gegensatz dazu viel Röntgenstrahlung hindurch. Dort färbt die Strahlung das Bild dunkel.

Schädliche Belastung

Allerdings wandern Röntgenstrahlen nicht immer folgenlos durch Materie wie den menschlichen Körper hindurch: Sie können unter anderem Zellen schädigen. Zu Röntgens Zeiten waren die potenziellen Nebenwirkungen der durchdringenden Strahlung noch unbekannt. Völlig ohne Bedenken wurden damals etwa Kinderfüße in Schuhgeschäften durchleuchtet, um den richtigen Sitz der Treter zu kontrollieren. Und sogar auf Jahrmärkten war das Röntgen eine beliebte Attraktion zur Belustigung der Leute.

Tatsächlich gab es erst 20 Jahre nach Röntgens Veröffentlichung die ersten Strahlenschutz-Richtlinien. Dabei häuften sich schon kurz nach der Entdeckung Hinweise auf mögliche Risiken. So kam es insbesondere bei Wissenschaftlern zu Hautverbrennungen, Haarausfall oder Augenproblemen. „Man sprach lapidar vom Röntgen-Sonnenbrand“, erklärte Gerrit Kemerink vom Universitätsklinikum Maastricht vor einigen Jahren auf Welt.de.

Der Radiologe hatte für eine Studie einen der ersten Röntgenapparate aus dem Jahr 1896 wieder in Betrieb genommen und festgestellt: Für die Aufnahme einer Hand betrug die Strahlendosis damals 74 Millisievert (mSv) – heute sind nur noch 0,05 mSv nötig. Je nach Körperteil und Art der Aufnahme ist die Belastung beim Röntgen inzwischen im Schnitt 1.000 bis 10.000 Mal geringer als zu Röntgens Zeiten.

Bereits kurz nach ihrer Entdeckung wurden die Röntgenstrahlen in der Medizin eingesetzt. Das Bild von Frau Röntgens Hand hatte von Anfang an vor allem Ärzte begeistert – sie schienen damit ihrem alten Traum vom gläsernen Menschen einen bedeutenden Schritt näher gekommen zu sein. Tatsächlich wurde es durch das Röntgen erstmals möglich, Organe und Knochen zu untersuchen, ohne den Körper aufschneiden zu müssen.

Im Laufe der Zeit wurde die Röntgentechnik immer weiterentwickelt. Methoden wie die Computertomografie (CT) erweiterten das Spektrum der Einsatzmöglichkeiten und verbesserten die Auflösung der Bilder. Sogar Röntgenbilder in 3D und in Farbe sind heute möglich. Dabei bilden die Aufnahmen längst nicht mehr nur Knochenbrüche ab. Selbst feine Haarrisse oder Krebstumore lassen sich inzwischen erkennen.

Blick ins Material

Allein in Deutschland werden nach Berechnungen des Bundesamts für Strahlenschutz jedes Jahr rund 140 Millionen Röntgenuntersuchungen in Arztpraxen und Krankenhäusern durchgeführt. Doch Röntgenstrahlen kommen auch in ganz anderen Bereichen als der Medizin zum Einsatz. In der Industrie spielen die elektromagnetischen Wellen zum Beispiel eine wichtige Rolle, um Produkte und Materialien auf Herz und Nieren zu prüfen – vom Hightech-Kunststoff bis hin zur Metalllegierung.

Auf dreidimensionalen Röntgenbildern lassen sich unter anderem unerwünschte Lufteinschlüsse erkennen oder die Ausrichtung von Materialfasern. „Mit dem Röntgen-CT können wir etwa die Ausrichtung von Glasfasern in Verbundwerkstoffen veranschaulichen, was wiederum Rückschlüsse auf Eigenschaften wie die Stabilität zulässt“, erklärt Heinrich Leicht vom Kunststoff- Zentrum in Würzburg.

Versteckten Bildern auf der Spur

Auch Kunstexperten setzen längst auf die Durchleuchtung. Weil Farbpigmente aus unterschiedlichen Epochen Röntgenstrahlung jeweils anders absorbieren, können auf diese Weise zum Beispiel Fälschungen enttarnt oder Originale als echt bestätigt werden –ohne die Werke auch nur im Geringsten zu beschädigen.

Mitunter treten beim Röntgenblick ins Bild echte Überraschungen zutage. So haben Forscher jüngst eine verborgene Krippenszene in einem Gemälde aus dem 16. Jahrhundert entdeckt, unter einem Frauenbildnis von Picasso kam das übermalte Landschaftsbild eines Malerkollegen zum Vorschein und auch bei Werken von Edgar Degas und Rembrandt wurden mithilfe von Röntgenstrahlen bereits Bilder im Bild aufgespürt.

Signale aus dem All

Ähnlich spannende Entdeckungen macht die Röntgentechnik in der Archäologie möglich: An welchen Krankheiten litten Menschen vor Tausenden von Jahren, wie kamen Mumien zu Tode und aus welchen Materialien sind antike Objekte angefertigt? All diese Fragen kann die Radiologie beantworten.

Auch in anderen Wissenschaften machen Röntgenstrahlen sichtbar, was dem Auge sonst verborgen bleibt: Klimaforscher nutzen sie zum Beispiel, um durch die Aufnahmen von Wachstumsringen von Korallen Rückschlüsse auf den Wandel von Umweltbedingungen ziehen zu können. Und Astronomen erforschen mit der Hilfe dieser Strahlung Phänomene des Weltalls. Denn bei vielen energiereichen Prozessen im Kosmos wird Röntgenstrahlung frei.

Zur vielfältigen Bedeutung dieser Strahlung für die Wissenschaft hat der deutsche Physiker Walter Gerlach einmal geschrieben: „Alles, was wir über die belebte und unbelebte Materie wissen – vom Bau der Atome über die Kristalle der Natur und die Werkstoffe der Technik bis zu Gen und Chromosom – haben uns die Röntgenstrahlen gelehrt.“