A XIX. sz. végén a fizikusok különös érdeklődéssel tanulmányozták az elektromos kisüléseket ritkított gázokban. A felfedezett katódsugara­kat a légritkított kisülési csőből először Lénárd Fülöpnek sikerült a sza­bad levegőre hozni. A kisülési cső üvegfalát Lénárd a megfelelő helyen átfúrta, és a nyílást olyan vékony alumínium lemezzel fedte be, amelyen a nagy sebességű elektronok át tudtak hatolni.

E kor egy másik kiváló fizikusának, Wilhelm Konrad Röntgennek, a würzburgi egyetem professzorának szokása volt mások kísérleteit, ame­lyek érdemleges felfedezésre vezettek, megismételni. Ezért olyan kisülési csövet készíttetett, amilyent Lénárd használt. 1895. november 8-án este, sötét laboratóriumában, kísérletezés közben észrevette, hogy a fekete kartonba burkolt kisülési cső közelében levő báriumplatincianür ernyő zöldes fényt bocsát ki. Ekkor a cső és ernyő közé deszkát, majd könyvet tett. Meglepetésére a zöldes fény csak gyengült, de nem szűnt meg, amint ez katódsugárzás esetében várható lett volna.

Röntgen azonnal felfedezésének rendszeres kivizsgálásához kezdett. Megállapította, hogy a kisülési cső azon helyén, ahová a katódsugarak ütköznek, újfajta, láthatatlan sugarak keletkeznek.

Az új, még ismeretlen sugarakat Röntgen X-sugaraknak nevezte el. Az angolok, amerikaiak és franciák mai napig is X-sugaraknak (X-Rays, ill. Rayons-X), míg a németek és a többi népek a nagy felfedező után röntgensugaraknak nevezik.

Röntgen már 1896. január 23-án a würzburgi orvosi és fizikai társaság előtt nyilvánosan beszámol az újfajta sugarakról.

Hallgatósága igen nagy meglepetésére, két röntgenfelvételt mutatott be; egyet saját kezéről és egy másikat vadászfegyverének szerkezetéről. Ezzel útnak indított két új tudományt, az orvosi röntgendiagnosztikát és az anyagvizsgálást rönt­gensugarakkal.

Röntgen nemcsak szerencsés felfedezője a róla elnevezett sugaraknak, amellyel a mai atom- és sugárfizika úttörője lett, hanem - mint lángeszű kutató - további kísérletei során néhány hét alatt megállapította az új sugarak főbb jellemző tulajdonságait is:

- a röntgensugarak a térben általában egyenes irányban terjednek, - a fényképezőlemezt feketítik,

- bizonyos anyagokat fluoreszkálásra gerjesztenek, - a levegőt vezetővé teszik,

- át nem látszó anyagokon, mint papír, fa, emberi testrészek, sőt fémeken is, áthatolni képes,

- sugarait sem elektromos, sem mágneses mező útjából el nem téríti, és hogy

- áthatolóképességük a sugár előállítására használatos kisülési cső légritkításának fokától is függ.

Annak ellenére, hogy Röntgen már első alapvető munkájában az új­fajta sugarak főbb tulajdonságait leírja, ezek lényege még hosszú ideig ismeretlen maradt, mert ennek megállapításához még hiányoztak bizo­nyos ismeretbeli előfeltételek. Röntgen és számos kiváló fizikus hiába igyekeztek kifürkészni a röntgensugár mibenlétét. Feltételezték ugyan, hogy olyan sugárzás, mint a látható fény, de igazolni nem tudták, mert a fénysugár jellegzetes fénytörését nem sikerült előállítani.

Csak 1912-ben sikerült Max von Laue kiváló fizikus megfontolásai és számításai alapján munkatársainak: Friedrichnek és Knippingnek kísérle­tileg igazolni, hogy a röntgensugár is fény, terjedési sebessége (c) ugyan­akkora, mint a látható fényé és a polarizálási jelenségek is kimutathatók.

A röntgensugár csak annyiban különbözik a látható fénysugártól, az ultraibolya fénytől, valamint a rádiótechnika elektromágneses hullámai­tól, hogy hullámhossza lényegesen rövidebb. Éppen ezért nem sikerülhe­tett az újfajta sugarak elhajlását és interferenciáját mindaddig kimutatni, míg megfelelő finom osztású rácsot nem alkalmaztak. Laue kiszámította az anyagokban az atomok, ill. molekulák egymástól való távolságát, és feltételezte, hogy azok a térben, különösen a kristályoknál szabályosan rendeződnek, és így mintegy szabályos térbeli rácsot képeznek, amelynek nagyságrendje a röntgensugarak hullámhosszával egyezik. Megfelelő kris­tályon áthaladó röntgensugárnak tehát a kristályrács szerkezetén meg kell törnie, mint azt Friedrich és Knipping kísérletei ragyogóan igazolták. Ezzel azonban nemcsak a röntgensugár hullám-, ill. fénytermészete igazo­lódott, hanem egyben a hullámhosszúság mérésére és a kristályok szer­kezeti felépítésének vizsgálatára találtak megbízható eljárást.

A röntgen- és gamma-sugarakat, az ultraibolya és látható fényt, az infravörös hősugarakat, a rádió, a televízió, a radar és az orvosi rövid­hullámú kezelőkészülékek hullámait egységesen elektromágneses hullá­moknak nevezzük. Elektromágnesesnek azért, mert két egymáshoz kap­csolt rezgő energiából képzeljük el őket, amelyek közül az egyik elekt­romos, a másik mágneses jellegű.

Az elektromágneses fény elmélet feltevése szerint a két transzverzális együtt haladó hullámmozgás lengési síkjai egymásra merőlegesek. Terjedési sebességük (c) az anyagmentes, ill. üres térben mindig ugyanaz, éspedig c=300000 km/s. Ez a c tehát nemcsak egységes fázissebessége valamennyi elektromágneses hullámnak az üres térben, hanem ezen túl­menően egyáltalán a lehető legnagyobb sebesség.

Az elektromágneses hullám együtthaladó elektromos
és mágneses energiájának egymásra merőleges lengési sikjának ábrázolása

Az elektromágneses hullámok csak hullámhosszukban, ill. rezgésszá­mukban (frekvenciájukban) különböznek egymástól. Miután c konstans érték, a hullámhossz csak a rezgésszámtól függ

  A képletben v a rezgésszám másodpercenként és T egy-egy teljes hullám rezgési ideje.

A táblázatból  hullámhosszuk szerint rendezve, az egész elektro­mágneses spektrum áttekinthető.

Az elektromágneses sugarak  hullámhosszát nehézkes volna cm-ben megadni, ezért célszerűbb mértékegységeket használunk:

1 mikrométer =                     1 µm=     1 /1000 mm =         10^-3 mm=10^-4 cm,

1 nanométer =                      1 nm=     1/1000 µm   =        10^-6 mm=10^-7 cm,

1 angström-egység =             1 Ǻ  =     1/10 nm       =        10^-8 cm,

1 X-egység =                        1 X=1/1000 Ǻ =10^-11 cm.

A röntgen- és a gamma-sugarak hullámhosszát angströmökben vagy X-egységekben adják meg. A leghosszabb hullámhosszúságú röntgensuga­raknak kb. 10 Ǻ, azaz 10 000 X.-E., míg a legrövidebb gamma-sugaraknak kb. 0,01 X.-E. hullámhosszuk van.

Az elektromágneses hullámok terjedési sebessége (c), hullámhossza (), rezgésszáma (v) és az együtt haladó elektromos és mágneses jellegű transzverzális hullámai fizikai eszközökkel mérhetők és kimutathatók. Fel kell tennünk még azt a kérdést, hogy miből áll tulajdonképpen az elektromágneses hullám? Ugyanis az előbbi megállapítások csak tulajdonságok és észlelhető tünetek.

6. táblázat. Elektromágneses hullámok spektruma

Az elektromágneses hullám a tudomány mai feltevése szerint nem más, mint a térben haladó energia. Áramlása nem folyamatos, mint régeb­ben hitték, hanem mintegy lövedékek özöne, amely meghatározott nagy­ságú energiacsomókból áll. Az energiacsomókat energiakvantumoknak, rövidebben fotonoknak nevezzük.

A fotonok energiája rezgési állapotban van, ami feltehetően abból áll, hogy az energia két megjelenési formája, az elektromos és mágneses, ritmikusan változik. Mint ahogy az ingánál a helyzeti és mozgási energia nagysága ritmikusan változik ugyan, de összegük változatlan, úgy a foto­noknál az elektromos és mágneses energia szintén ritmikusan változik ugyan, de összegük egy-egy fotonnál változatlan, éspedig mindaddig, amíg valamilyen külső erőhatás meg nem változtatja, például anyagi részecs­kébe ütközésekor. Ilyenkor energiája részben vagy egészen másfajta energiává és bizonyos energiájú kvantumoknál, ill. felett anyaggá is átalakul.

Minden foton energiájának nagysága csak a rezgésszámától függ. Max Planck fizikus, a modern kvantumelmélet megalapítója (1900) szerint

E=h××v

az egyenletben E a foton energiája erg egységekben van, ha a Planck-féle állandó szorzószám h=6,624.10^-27 ergszekundumban van megadva; v a rezgésszám másodpercenként.

A foton energiája tehát annál nagyobb, minél nagyobb a rezgés száma, ill. minél rövidebb a hullámhossza. A röntgensugár fotonjainak energiája kb. 10 000...100 000-szer nagyobb, mint a látható fény fotonjainak ener­giája.

Planck kvantumelméletének fontos megállapítása, hogy a fény, ill. elektromágneses energia kibocsátása és elnyelése csak egész energiakvantumonként történhet, vagyis csak h××v, vagy ennek egész számú több­szöröse, n××h××v lehet (h××v törtrésze sohasem fordul elő!). Miként az anya­gok anyagi részecskékből, un. atomokból vannak összetéve, úgy mond­hatjuk, hogy az elektromágneses energia is hasonlóképpen energiaré­szecskékből, un. energiakvantumokból, ill. fotonokból áll.

Röntgen az általa felfedezett sugarak előállításához eleinte egy olyan üvegből készült légritkított kisülési csövet használt, amelyben két szem­ben álló fémelektróda volt beépítve. Az elektródákat egy szikrainduk­torral kötötte össze, mégpedig úgy, hogy az egyik elektróda pozitív, a másik negatív legyen. A pozitív elektródát anódnak, a negatívot katód­nak nevezzük. Ily módon a két elektróda között nagyfeszültségű elekt­romos erőtér keletkezett, amelyben a kb. 0,01 mm higanynyomású levegő, néhány, a kozmikus sugárzás által ionizált molekulái a megfelelő polaritás felé indultak. Ezek útközben további molekulákkal ütközve, azokat is ionizálták. A lavinaszerűen szaporodó ionizációkból származó negatív töltésű részecskék, főleg a szabad elektronok, a nagyfeszültségű elektromos erőtérben nagy sebességgel a pozitív irányba repültek, és részben a pozitív elektródába, nagyobb részben a kisülési cső üvegfalába ütköztek. Az anyagba ütköző nagy sebességű elektronok lefékezésekor energiájuk túlnyomó részét hővé és kis része elektromágneses energiává, azaz röntgensugárrá alakult át.

Röntgen első kísérleti kisülési csöveinél az X-sugárzás keletkezési helyén a katóddal szembeni üvegfalon, zöldes fluoreszcens fényjelenség volt megfigyelhető. Itt az elektronbombázás következtében az üvegfal hamarosan annyira felmelegedett és ennek következtében a kisülési cső légritkítása annyira csökkent, hogy használhatatlanná vált. Ezért Röntgen kisülési csöveibe a katóddal szemben, azon a helyen, ahová az elektronok ütköznek, egy harmadik lemez alakú fémelektródát épített be, amelyet antikatódnak nevezett el, és azt összekötötte az anóddal. Igye­kezett a katódot úgy kiképezni, hogy az elektronok az antikatódon lehe­tőleg kis helyen, az un. fókuszban összpontosuljanak.

Röntgen klasszikus csöveinél a nagy sebességű elektronok száma, vagyis a csőáram erőssége (mA), az anód és katód közötti feszültségtől, az un. csőfeszültségtől (kV) és a légritkítástól függ. Ugyanannál a légrit­kításnál a csőáram csak a csőfeszültséggel fokozható.

Röntgen klasszikus kisülési csöve

Ugyanannál a cső­feszültségnél viszont csak a légritkítás csökkentésével növelhető a cső­áram és fordítva. Ugyanis ha több levegőmolekula van a katód és anód között, úgy több az ütközés és ionizálás, de csak bizonyos légsűrűségig, mert ha már túl gyakori az ütközés, akkor az elektronok már nem tud­nak a röntgensugárzás kiváltásához kellő sebességre jutni. Ilyenkor végül is az elektródák között a sűrű ionizáció folytán vezetőképessé vált leve­gőn (plazmán) át a nagyfeszültség ívképződéssel, csattanó fényjelenség közben átüt. Ha viszont túl nagy a légritkítás, akkor meg túl kevés az ütközési lehetőség, ennek folytán kevés az ionizálás és a csőáram.

Az előbbi esetben a klasszikus röntgencsöveket túl lágyaknak, az utóbbiban túl keményeknek nevezték. A klasszikus csöveket a nem túl terhelő (túlságosan melegítő) üzemeltetés fokozatosan keményítette, mert az ionok részben a cső üvegfalára rakódnak. Ezért időközönként lágyítani kellett, pl. óvatos hevítéssel. Erre a célra voltak különböző, un. regeneráló készülékek. Ha a cső túl lágy lett, akkor alacsony csőfeszült­séggel hosszabb ideig üzemeltetni, ill. keményíteni kellett. A csőáram szabályozásának ez a nehézkessége arra kényszeríttette a röntgenorvost, hogy egész sorozat röntgencsövet tartson készenlétben. Külön csövet a tüdő- és külön a gyomorvizsgálathoz stb.

Coolidge a csőáram (mA) szabályozásának nehézkességét megszün­tette. Azt a fizikai tényt használta ki, hogy az izzó anyagok (pl. izzó fém­szál) elektronokat bocsátanak ki.

Coolidge izzókatódos röntgencsöve

Coolidge újfajta röntgencsöveket készített (8. ábra), amelynél a katód végén egy tetszőlegesen izzítható fémszál volt beépítve, és a csövet lehetőleg tökéletesen légtelenítette. A negatív katód és pozitív anód közötti nagyfeszültségű erőtérben az izzó katódból kiszabaduló elektro­nok a pozitív anód felé akadálytalanul repülnek, majd az anód anyagába csapódva lefékeződnek. Az izzókatódos röntgencsövek óriási előnye a klasszikus csövekkel szemben az, hogy a katódizzítás egyszerű szabályo­zásával tetszőleges csőáram (mA-érték) állítható be. Nincs szükség körül­ményes lágyításra, keményítésre és a csövek cserélgetésére. Ezen túlme­nően üzembiztosabbak és tartósabbak is. A mai röntgencsövek mind izzókatódos kivitelűek.

A röntgencsövek működésének ismertetésekor megtudtuk, hogy röntgensugárzás keletkezik mindenütt, ahol nagy sebességű elektronok anyagba ütköznek. Ütközéskor az elektronok behatolnak az anyagba, és mint a puskagolyó a homokban, lefékeződnek. Ez a lefékeződés részleteiben vizsgálva bonyolult folyamat. A nagy sebességű elektronok kölcsön­hatásba lépnek az anyag (röntgencsőben az antikatód, ill. -anód) atom­jaival. Nagyobb részük lefékeződik az atommagokat körülvevő pozitív elektromos erőtérben; kisebb részük pedig kötött elektronokat lök ki energianívójából (K, L, M, N stb.). Az első esetben az ún. fékezési suga­rak, az utóbbinál az ütköző anyagra (pl. volfrámra) jellemző ún. karak­terisztikus sugarak keletkeznek.

A fékezési sugarak keletkezésekor közömbös az elektronok szárma­zása, annál fontosabb sebességük, ugyanis ettől függ a létrejövő sugárzás minősége, vagyis a keletkező fotonok energiája (E=h××v).

Abban a legkedvezőbb esetben, amikor a v sebességű és m tömegű elektron egész mozgási energiáját  már az első ütközés alkalmá­val elveszíti és az teljes egészében sugárzássá, ill. fotonná alakul át, úgy az ilyen energiaátalakulásból, az adott csőfeszültségnél (kV-értéknél) ered­ményként a lehető legnagyobb energiájú, ill. legrövidebb hullámhosszú­ságú foton keletkezik. Ezt a hullámhosszat határhullámhossznak nevezzük és -lal jelöljük. A szóban forgó kölcsönhatásnál tehát az elektron moz­gási energiája

a keletkező foton energiájával.

Az anyagba (pl. az anód fókuszába) ütköző nagy sebességű elektronok túlnyomó többsége azonban nem az első ütközés alkalmával adja át teljes mozgási energiáját, hanem csak több ütközés után fokozatosan fékező­dik le. Ennek következtében az egyes ütközésekből csak kisebb energia­átalakulások lehetségesek, mint az előbbi legkedvezőbb határesetben. Ezért a keletkező fotonok többségének hullámhossza már csak hosszabb lehet  határhullámhossznál. Végeredményben a fékezési sugárzás a A  határhullámhossztól folytatólag számtalan sokféle hullámhosszúságú foton­ból tevődik össze, és ezért úgy mondjuk, hogy színképe (spektruma) folytonos.

A fékezési röntgensugárzás színképét megkapjuk, ha fotonjainak ener­giáját () hullámhosszuk () szerint rendezve ábrázoljuk. A 9. ábrán az abszcissza hullámhossz és az ordináta , a  hullámhosszúságú fotonok összenergiája. a határhullámhossz, amelynél az egyes fotonok energiája maximális.  az a hullámhossz, amelynél a kibocsátott fotonok energiá­jának összege a legnagyobb.  pedig az a hullámhossz, amely a görbe S súlypontjához tartozik.

Karakterisztikus sugárzás keletkezik, amikor a nagy sebességű elekt­ron az atommag körül valamelyik energianívón keringő kötött elektront löki ki. Az ütköző elektronok, mint a billiárdgolyók, irányukat és sebes­ségüket változtatva, most már mindketten mint szabad elektronok haladnak tovább és mindaddig ismét ütköznek, amíg mozgási energiájukat, azaz sebességüket el nem veszítik. Az ily módon ionizált atomok elektron­pályái közötti rendeződés közben felszabaduló energiakülönbségek, az ütköző anyag atomjaira jellemző nagyságú energiakvantumok (fotonok), mint karakterisztikus sugarak hagyják el atomjaikat. A 10. ábrán a féke­zési sugárzás folytonos színképét ábrázoló görbe mentén néhány éles kiugrást látunk, ezek a karakterisztikus sugarak intenzitását ábrázolják. Ha pontosan megállapítjuk hullámhosszukat, úgy értelemszerűen követ­keztetni tudunk arra, milyen anyagnak ütköztek az elektronok. Ezen alapul a röntgenspektrográfia. Így még ötvözetek összetétele is megálla­pítható.

A fékezési röntgensugárzás színképét ábrázoló görbe

Mind a klasszikus, mind az izzókatódos röntgencsöveknél a keletkező röntgensugárzás energiája, azaz áthatolóképessége az alkalmazott cső­feszültséggel (kV-értékkel) arányos, amelynek ismeretében , határhul­lámhossz könnyen kiszámítható. A katódtól elinduló elektront, amelynek töltése é és tömege m, az U csőfeszültség v sebességre gyorsítja. Az elektron elektromos energiája tehát:

mozgási energiává alakul át.

Ha a v sebességű elektron teljes energiája az anódba ütközésekor röntgenfotonná alakul át, úgy írhatjuk, hogy

10. ábra. A fékezési és karakterisztikus sugárzás színképét ábrázoló görbe

mivel pedig a határhullámhossz -vel, azaz a fénysebessége osztva a rezgésszámmal, ezért így is írhatjuk:

, ezek után h, c és é állandókat behelyettesítve és kiszámítva Å

A röntgencsőben keletkező fékezési színkép határhullámhosszát angström­(Å) egységekben megkapjuk, ha 12,4 állandót kV-ban megadott cső­feszültséggel elosztjuk. Ez Duane és Hunt törvénye, amely kimondja, hogy a  hullámhossz emelkedő U csőfeszültséggel csökken, tehát a hullámhossz a csőfeszültséggel fordítva arányos.

A röntgensugár keletkezéséről az eddig mondottakból téves volna arra következtetni, hogy a nagy sebességű elektronok mozgási energiája az anyaggal ütközéskor csak röntgensugárzássá alakul át. A valóságban a nagy sebességű elektronok lefékezésekor mozgási energiájuk túlnyomó többsége végül hőenergiává alakul át és csak igen kis hányada (kb. 0,5-2 %, gyorsító feszültség függő) lép ki az anyagból (a röntgencsőből wolfram pogácsájából) fotonok, ill. röntgensugárzás alakjá­ban. Ennek az a magyarázata, hogy a nagy sebességű elektronok többsé­gének mozgási energiája az anyagban fokozatosan elaprózódik. A folya­matok eredményeként keletkező fotonok száma szaporodik ugyan, de energiájuk () mind kisebb lesz, mindaddig, míg már csak hőhatásuk­ban észlelhetők. A röntgencsövek hatásfoka, vagyis hogy a fókuszra ütköző elektronok energiájának hány százaléka alakul át hasznosítható röntgensugárrá, azaz energiájú fotonokká, az nagy mértékben az anód anyagának Z rendszámától és az U csőfeszültségtől függ. Erre meg­közelítő pontosságú képlet Compton szerint:

pl. legyen az anód wolfrám, tehát Z=74 és legyen U csőfeszültség 100 kV, akkor =0,8%, vagyis a befektetett energia 0,8%-a alakul csak át rönt­gensugárzássá.