Erzeugung von Röntgenstrahlen
Es gibt drei gängige Mechanismen für die Erzeugung von Röntgenstrahlen: die Beschleunigung eines geladenen Teilchens, atomare Übergänge zwischen diskreten Energieniveaus und der radioaktive Zerfall einiger Atomkerne. Jeder Mechanismus führt zu einem charakteristischen Spektrum der Röntgenstrahlung.
In der Theorie des klassischen Elektromagnetismus senden beschleunigte elektrische Ladungen elektromagnetische Wellen aus. In der häufigsten irdischen Röntgenstrahlungsquelle, der Röntgenröhre, trifft ein Strahl hochenergetischer Elektronen auf ein festes Target. Wenn die sich schnell bewegenden Elektronen des Strahls mit den Elektronen und Kernen der Zielatome wechselwirken, werden sie wiederholt abgelenkt und abgebremst. Während dieser abrupten Abbremsung geben die Strahlelektronen Bremsstrahlung ab – ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Strahlung mit einer Spitzenintensität im Röntgenbereich. Der größte Teil der in einer Röntgenröhre abgestrahlten Energie ist in diesem kontinuierlichen Spektrum enthalten. Weitaus leistungsfähigere (und weitaus größere) Quellen eines kontinuierlichen Röntgenspektrums sind Synchrotron-Teilchenbeschleuniger und Speicherringe. In einem Synchrotron werden geladene Teilchen (in der Regel Elektronen oder Positronen) auf sehr hohe Energien (typischerweise Milliarden von Elektronenvolt) beschleunigt und dann von starken Magneten auf eine geschlossene Umlaufbahn gebracht. Wenn die geladenen Teilchen durch die Magnetfelder abgelenkt (und somit durch die Änderung ihrer Bewegungsrichtung beschleunigt) werden, senden sie so genannte Synchrotronstrahlung aus – ein Kontinuum, dessen Intensität und Frequenzverteilung durch die Stärke der Magnetfelder und die Energie der umlaufenden Teilchen bestimmt wird. Speziell entwickelte Synchrotronlichtquellen werden weltweit für Röntgenuntersuchungen von Materialien eingesetzt.
In einer Röntgenröhre gibt es neben dem kontinuierlichen Strahlungsspektrum, das von den abbremsenden Elektronen emittiert wird, auch ein Spektrum diskreter Röntgenemissionslinien, das für das Zielmaterial charakteristisch ist. Diese „charakteristische Strahlung“ resultiert aus der Anregung der Target-Atome durch Zusammenstöße mit den sich schnell bewegenden Elektronen. In der Regel wird bei einer Kollision zunächst ein fest gebundenes Elektron der inneren Schale aus dem Atom herausgeschleudert; ein locker gebundenes Elektron der äußeren Schale fällt dann in die innere Schale und füllt die Lücke. Dabei wird vom Atom ein einzelnes Photon mit einer Energie emittiert, die der Differenz zwischen dem Zustand der inneren und der äußeren Schale entspricht. Diese Energiedifferenz entspricht in der Regel den Photonenwellenlängen im Röntgenbereich des Spektrums. Charakteristische Röntgenstrahlung kann auch von einem Zielmaterial erzeugt werden, wenn es einem primären Röntgenstrahl ausgesetzt wird. In diesem Fall lösen die primären Röntgenphotonen die Abfolge von Elektronenübergängen aus, die zur Emission von sekundären Röntgenphotonen führen.
Im Jahr 1913 entdeckte der englische Physiker Henry Moseley eine einfache Beziehung zwischen den Wellenlängen der Röntgenemissionslinien eines Targets und der Ordnungszahl des Targetelements – die Wellenlängen sind umgekehrt proportional zum Quadrat der Ordnungszahl. Diese als Moseley’sches Gesetz bekannte Beziehung erwies sich in den Anfängen der Atomphysik als entscheidendes Hilfsmittel bei der Bestimmung der Ordnungszahl. Röntgenfluoreszenztechniken, bei denen die Wellenlängen charakteristischer Röntgenstrahlen nach der Anregung eines Targets aufgezeichnet werden, werden heute häufig verwendet, um die elementaren Bestandteile von Materialien zu identifizieren.
Die Röntgenemission ist manchmal ein Nebenprodukt einer Kernumwandlung. Beim Elektroneneinfang wird ein Elektron der inneren Schale vom Atomkern eingefangen, wodurch die Umwandlung eines Kernprotons in ein Neutron eingeleitet und die Ordnungszahl um eine Einheit gesenkt wird (siehe Radioaktivität: Arten der Radioaktivität). Die freie Bahn in der inneren Schale wird dann schnell durch ein Elektron in der äußeren Schale aufgefüllt, wodurch ein charakteristisches Röntgenphoton entsteht. Auch die Relaxation eines angeregten Kerns in einen energieärmeren Zustand führt manchmal zur Emission eines Röntgenphotons. Die bei den meisten Kernübergängen dieser Art emittierten Photonen sind jedoch von noch höherer Energie als Röntgenstrahlen – sie fallen in den Gammastrahlenbereich des elektromagnetischen Spektrums.
In den letzten 50 Jahren wurden zahlreiche astronomische Quellen von Röntgenstrahlen entdeckt, die insgesamt eine reiche Quelle von Informationen über das Universum darstellen (siehe Röntgenquellen). Röntgenstrahlen werden von der heißen Korona der Sonne (äußere Atmosphäre) und von den Koronen anderer gewöhnlicher Sterne in der Milchstraßengalaxie ausgesandt. Viele Doppelsternsysteme emittieren reichlich Röntgenstrahlung; die stärksten dieser Quellen erzeugen allein im Röntgenbereich mehr als das 1.000-fache der gesamten Energie der Sonne. Überreste von Supernovas sind ebenfalls starke Quellen von Röntgenstrahlung, die manchmal mit Synchrotronstrahlung von hochenergetischen geladenen Teilchen, die in starken Magnetfeldern zirkulieren, und manchmal mit atomaren Emissionen von extrem heißen Gasen (im Bereich von 10 Millionen Kelvin) einhergehen. Leistungsstarke extragalaktische Quellen von Röntgenstrahlung, einschließlich aktiver Galaxien, Quasare und Galaxienhaufen, werden derzeit intensiv wissenschaftlich untersucht; in einigen Fällen sind die genauen Mechanismen der Röntgenstrahlungserzeugung noch ungewiss oder unbekannt. Da die Erdatmosphäre die Röntgenstrahlung stark absorbiert, müssen astronomische Beobachtungen im Röntgenbereich von Satelliten in der Umlaufbahn aus durchgeführt werden. Der Start des Chandra-Röntgenobservatoriums im Jahr 1999 hat die Beobachtungsmöglichkeiten in der Röntgenastronomie erheblich verbessert (siehe Teleskop: Röntgenteleskope).