Der Grundkurs Physik der Q2 von Herrn Drobisch hat sich am 2.11.2022 auf eine Exkursion zur Heinrich-Heine-Universität in Düsseldorf begeben. Thema waren Röntgenstrahlen, mit denen man viele Experimente machen kann, welche in der Schule aus Kosten- und Sicherheitsgründen nicht so einfach möglich sind. Ein studentischer Mitarbeiter begrüßte uns vor dem Physikgebäude und führte uns in den Raum mit den Schulröntgengeräten. Auf den Tischen stand jeweils für zwei Personen ein Röntgengerät. Dann erschien der Leiter der Physikalischen Grundpratika, Herr PD Dr. Götz Lehmann, und stellte kurz sich und die Heinrich-Heine-Universität vor.
Anschließend wurden wir mit der Bedienung der Röntgengeräte vertraut gemacht. Diese sind in drei Bereiche unterteilt. Ein Bedienelement, eine Röntgenröhre und ein Experimentierraum. Das Bedienelement steuert die Apparatur, in der Röntgenröhre wird die Strahlung erzeugt und im Experimentierraum kann man allerhand Gegenstände hineinlegen und experimentieren.
Zunächst sollten wir die Geräte einschalten. Danach wurde die Spannung eingestellt. Das Röntgengerät startete bei 5 kV und ging hoch bis 35 kV. Diese sollten dann auch eingestellt werden. Anschließend sollte die Stromstärke auf 1 mA eingestellt werden. Nachdem dies geschehen war, wurde das Gerät dann auch das erste Mal wirklich eingeschaltet. Dabei ertönt ein sehr hoher Ton an den Netzteilen, welchen ältere Personen gar nicht mehr hören können. Herr Drobisch gab an, nichts zu hören, genauso wie der Laborleiter. Die Schüler hingegen klagten über diesen äußerst unangenehmen Ton.
Im weiteren Verlauf wurden Arbeitsblätter mit Arbeitsaufträgen, Anleitungen und einer Menge Physiktheorie ausgeteilt und jede Zweiergruppe arbeitete selbständig. Herr Drobisch, Herr Lehmann und der Student standen dabei mit Rat und Tat zur Seite, wenn es irgendwelche Fragen gab.
Im ersten Versuch sollte die Geometrie bei der Abbildung mit Röntgenstrahlung untersucht werden. Zu diesem Zweck wurde auf eine Montageschiene eine Metallschiene gebaut, auf welcher wiederum ein Styroporblock war. An dessen Anfang und Ende waren jeweils zwei gleich lange Metallstreifen im Abstand von etwa 16 cm angebracht. Dann wurde das Ganze in den Experimentierraum gelegt und die Röntgenstrahlung aktiviert. Dabei konnte auf dem Fluoreszenzschirm erkannt werden, dass Objekte, die weiter weg vom Schirm sind, größer erscheinen als jene, die näher dran sind. Damit ist dies genau umgekehrt zum menschlichen Auge; für uns erscheinen weiter entfernte Objekte kleiner und Nahe größer.
Als nächstes sollte dann die Kontrastentstehung durch Schwächung von Röntgenstrahlung untersucht werden. Dazu wurde uns eine Probe mit verschiedenen Materialien ausgehändigt sowie ein kleiner Film, von dem man später ein Ergebnis ablesen kann. Die Probe wurde mit dem Film in den Experimentierraum getan, die Spannung auf 20 kV und der Emissionsstrom auf 1 mA eingestellt. Etwa 40 s muss man den Film belichten. Anschließend wurde er entfernt und dem Leiter gegeben, der diesen in eine spezielle Auslesemaschine steckte, welche mit einem Computer verbunden ist. So konnte dann ein echtes Röntgenbild ausgedruckt werden. Dabei findet man heraus, dass Stoffe mit hoher Kernladungszahl wie bspw. Calcium, aus dem unsere Knochen bestehen, oder Blei die Röntgenstrahlung stärker schwächen als solche mit kleinerer Kernladungszahl wie bspw. Stickstoff, Wasserstoff oder Sauerstoff. Auf den Bildern sieht man dies dann als hell oder dunkel. Je heller ein Stoff erscheint, desto stärker ist die Schwächung der Röntgenstrahlung durch diesen Stoff.
Dann kam für die meisten Schüler das große Highlight: Jeder bekam ein Überraschungsei, welches ebenfalls geröntgt werden sollte. Dazu wurde das Ü-Ei mit einem Film in den Experimentierraum gestellt, dahinter wurde der Film gesteckt und wieder 40 s mit Röntgenstrahlung bestrahlt. Dann wieder die Prozedur mit Ausdrucken und jeder bekam ein ausgedrucktes Bild, wie das Ü-Ei von Innen aussieht. Ehrlicherweise muss man zugeben, dass sich nicht wirklich erkennen lässt, was sich in ihnen dann befindet. Zum Verzehr waren sie danach trotzdem noch geeignet und die Schüler ließen es sich schmecken.
In einem weiteren Experiment wurde die Schwächung von Röntgenstrahlung in Abhängigkeit von der Dicke des zu durchstrahlenden Stoffes untersucht. Wie zu erwarten, nimmt die Intensität mit zunehmender Dicke des Absorbermaterials ab. Im Experiment konnte sogar der von der Theorie vorhergesagte exponentielle Zusammenhang zwischen Intensität der Strahlung und Schichtdicke in guter Näherung bestätigt werden.
Als vorletztes wurde dann noch die Streuung von Röntgenstrahlung untersucht. Zu diesem Zweck wurde das Geiger-Müller-Zählrohr in eine Ecke des Experimentierraums gestellt, die sich außerhalb des direkten „Röntgenstrahls“ befindet. Im ausgeschalteten Zustand beträgt die Strahlungsintensität logischerweise Null. Stellt man aber in den Strahl eine Flasche Wasser, misst man Werte von über 1000 Impulse pro Sekunde. Selbst ein Behältnis nur mit Luft gefüllt erhöhte die Strahlung in der Ecke um ein Vielfaches. Daraus ist zu schließen, dass man beim Röntgen auch vorsichtig sein muss, wenn man nicht im direkten Strahl ist. Daher verlassen Ärzte beim Röntgen auch den Raum.
Als letztes folgte noch ein Nachweis, dass Röntgenstrahlung die Luft ionisiert, das heißt Elektronen aus den Atomen herausschlagen kann. Dazu wurde ein Schaltkreis errichtet mit einem Kondensator, welcher in den Experimentierraum gestellt wurde und es wurde über einen dazu in Reihe geschalteten Widerstand die Spannung gemessen. An die beiden Platten des Kondensators wurde dann eine Spannung von ca. 400 V angelegt. Im Normalfall ist der Kondensator ein unendlich großer Widerstand, da die Luft zwischen den Metallplatten nichtleitend ist, sodass kein Strom fließen kann. Würde man die Luft jedoch ionisieren, so kann sie Strom leiten und dies wäre messbar. Bevor der Apparat eingeschaltet wurde, wurden Spannungen im Bereich zwischen 0,1 mV und 0,5 mV gemessen, was normal ist, da immer ein paar freie Elektronen in der Luft unterwegs sind. Sobald jedoch die Luft zwischen den Metallplatten mit Röntgenstrahlung beschossen wurde, wurden Spannungen von bis zu 4 V gemessen, also eine etwa tausendmal höhere Spannung! Damit konnten wir nachweisen, dass Röntgenstrahlung tatsächlich in der Lage ist, Atome zu ionisieren und damit im Endeffekt auch unsere Zellen bzw. unser Erbgut zu schädigen. Es folgte noch eine lange Berechnung am Whiteboard über die Anzahl der zwischen den Kondensatorplatten ionisierten Elektronen, woraus wir schließlich die Energiedosis ermitteln konnten, das heißt die Energie berechneten, die von der Strahlung durch Ionisation auf die Luft zwischen den Platten des Kondensators übertragen wurde.
Es war sehr interessant, mal selber mit den “Spielsachen”, wie Herr Lehmann die Geräte nannte, zu experimentieren und die Bilder vom Ü-Ei zu machen. Zudem ist es generell hilfreich, mal einen Blick in eine Universität werfen zu können und die Möglichkeit zu haben, verschiedene Fragen stellen zu können.
Autor: Joost Grzesiak (Schüler Q2)