1. Röntgenstrahlung. Physikalische Eigenschaften der Röntgenstrahlung, ihre Position in dem elektromagnetischen Spektrum (Frequenz, Wellenlänge, begrenzere

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1 6. Röntgenstrahlung. Physikalische Eigenschaften der Röntgenstrahlung, ihre Position in dem elektromagnetischen Spektrum (Frequenz, Wellenlänge, begrenzere Strahlungstypen). Aufbau und Funktion des Röntgenrohrs. Entstehung der charakterischtischen- und Bremsstrahlung, Vergleichung ihren Spektren. Erklärung der Grenzwellenlänge.

1. Röntgenstrahlung. Physikalische Eigenschaften der Röntgenstrahlung, ihre Position in dem elektromagnetischen Spektrum (Frequenz, Wellenlänge, begrenzere

Strahlungstypen).

Der Bereich der Röntgenstrahlung reicht von Wellenlängen mit 1nm bis zu Wellenlängen von 30pm. Bei noch kürzeren Wellenlängen, bzw. höheren Energien geht die Röntgenstrahlung fließend in den Bereich der Gammastrahlung über. Bei längeren Wellenlängen befindet sich der UV-Bereich. Das entspricht einer Photonenenergie zwischen 100eV und einigen MeV.

(Die Energie der Photonen lässt sich mit E = hf berechnen!)

Abbildung1: Das elektromagnetische Spektrum

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2 Röntgenstrahlung wurde erstmals 1895 von Conrad Wilhelm RÖNTGEN (1845 - 1923) bei Experimenten mit Vakuumröhren entdeckt und untersucht. Eine Woche nach der mehr zufälligen Entdeckung machte er die in Abb. 2 gezeigte Aufnahme der Hand seiner Frau, bei der man deutlich die Knochen und denn Ehering erkennt. Er nannte die Strahlung "X"- Strahlung, wie sie auch heute noch im Englischen genannt wird ("X-Ray"). Nur im deutschsprachigen Raum gab man ihrem Entdecker zu Ehren den Namen Röntgenstrahlung.

Abb. 2 Röntgenaufnahme der Hand von Frau Röntgen mit Ehering

Eigenschaften von Röntgenstrahlen:

Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit folgenden physikalischen Eigenschaften:

 Absorption:

Röntgenstrahlen haben die Fähigkeit, Gewebe zu durchdringen. Dabei wird die

Röntgenstrahlung gewebeabhängig durch Absorption (und Streuung) abgeschwächt. Die Absorption wächst

mit der Dicke des durchstrahlten Gewebe.

mit der Dichte des durchstrahlten Stoffes.

sehr stark (3. Potenz) mit der Ordnungszahl des durchstrahlten Gewebe.

Je weicher die Röntgenstrahlung, desto stärker ist die Abschwächung im menschlichen Gewebe.

 Photographischer Effekt:

Röntgenstrahlen schwärzen dosisabhängig Filmmaterial.

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3  Lumineszenzeffekt:

bestimmte Stoffe werden durch Röntgenstrahlung zur Freisetzung von Licht stimuliert (Fluoreszenz).

 Ionisationseffekt:

Röntgenstrahlung können Stoffe ionisieren.

 Biologischer Effekt:

Molekülanregungen (Ionisation) und Zerstörungen von Molekülverbindungen führen zu Veränderungen in lebenden Organismen.

 Röntgenstrahlung kann gebeugt werden und interferieren, damit ist es möglich, um unterschiedlichen Kristallstrukturen (z.B. Proteine) unterzusuchen. Weitere

Informationen dazu sind bei der Röntgendiffraktion zu finden.

2. Aufbau und Funktion des Röntgenrohrs. Entstehung der charakterischtischen- und Bremsstrahlung, Vergleichung ihren Spektren. Erklärung der Grenzwellenlänge.

Die Elektronen werden von einer Glühkathode emittiert. Sie werden im Feld der

Hochspannung U von einigen 10 keV zwischen Kathode und Anode beschleunigt und treffen

mit hoher Geschwindigkeit auf die Anode auf. Der Strom I der beschleunigten Elektronen und

damit auch die Intensität der Röntgenstrahlung, lässt sich über die Heizspannung U

K

an der

Glühkathode regeln. Beim Eindringen der beschleunigten Elektronen in das Anodenmaterial,

im vorliegenden Fall Molybdän, wird die Röntgenstrahlung erzeugt. Das Spektrum der

Strahlung besteht aus dem kontinuierlichen Spektrum der Bremsstrahlung, dem das

Linienspektrum der charakteristischen Röntgenstrahlung überlagert ist.

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4 Bremsstrahlung einer Röntgenröhre

Das Spektrum hat zu kurzen Wellenlängen hin eine der kinetischen Energie der Elektronen entsprechende Grenzwellenlänge, d. h. die gesamte kinetische Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Diese Grenzwellenlänge hängt also nur von der

durchlaufenen Beschleunigungsspannung (Anodenspannung) ab, sie ist unabhängig vom Anodenmaterial. Die Form des Spektrums hängt von der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen und dem verwendeten Metall ab.

Die kürzeste mögliche Wellenlänge tritt auf, wenn die gesamte kinetische Energie des Elektrons in ein einziges Photon umgewandelt wird:

Sie beträgt:



c - Lichtgeschwindigkeit



h - Plancksches Wirkungsquantum



e - Elementarladung, Elektronenladung



U - Beschleunigungsspannung, Anodenspannung der Röntgenröhre

Durch Einsetzen der Naturkonstanten ergibt sich die zugeschnittene Größengleichung

An dieser Gleichung sieht man, dass die untere Grenzwellenlänge nur von der Beschleunigungsspannung abhängig ist.

Bei einer Beschleunigungsspannung von 25 kV beträgt sie 0,05 nm. Diese Strahlung vermag bereits normales Glas und dünne Aluminiumplatten zu durchdringen. Daher müssen bei Farb- Bildröhren, die mit Beschleunigungsspannungen von 25 bis 27 kV (Schwarzweiß-Bildröhre:

ca. 18 kV) arbeiten, Maßnahmen zum Strahlenschutz getroffen werden. Man verwendet daher Bleioxid-haltiges Glas für den Kolben.

Die charakteristische Röntgenstrahlung

Um einen Atomkern kreisen eine Anzahl von Elektronen auf ihren jeweiligen Bahnen. Die Anzahl der Elektronen entspricht der Ordungszahl (= Kernladungszahl = Anzahl der Protonen im Kern) des jeweiligen Elementes. Aufgrund gleicher physikalischer Eigenschaften lassen sich bestimmte Bahnen zu einzelnen Gruppen, zu sogenannten Schalen, zusammenfassen.

Diese werden von innen nach außen mit Elektronen aufgefüllt (Pauliprinzip) und

dementsprechend in diese Richtung durch Großbuchstaben gekennzeichnet (K, L, M, N, . . .).

Die Schalen sind Energieniveaus, die die Energie der Elektronen der Schale charakterisieren.

Die Energie der Niveaus nimmt von innen nach außen zu. Ist die kinetische Energie der

beschleunigten Elektronen groß genug, um ein Elektron beim Auftreffen aus der Atomhülle

zu schlagen (ionisieren) dann kann ein Elektron aus einer weiter außen befindlichen Schale in

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5 die entstandene Lücke springen. Dabei sind nicht alle Übergänge erlaubt, sondern nur solche, welche bestimmte Auswahlregeln erfüllen . Dies ist abhängig von der Energie der beteiligten Energieniveaus. Die Differenzenergie E

aussen

− E

innen

wird in Form elektromagnetischer

Strahlung im Wellenlängenbereich der Röntgenstrahlung abgegeben . Dieses Röntgenquant (=

Photon) hat eine diskrete Energie:

𝐸

_{𝑃ℎ𝑜𝑡𝑜𝑛}

= 𝐸

_{𝑎𝑢𝑠𝑠𝑒𝑛}

− 𝐸

_{𝑖𝑛𝑛𝑒𝑛}

= ℎ ∙ 𝑓 = ℎ ∙ 𝑐 ∙ 𝜆

Die Elektronenhülle eines Atoms hat eine zwiebelartige Schalenstruktur. Wenn die kinetische Energie der Elektronen ausreicht, lösen sie ein Elektron aus einer Schale eines Anodenatoms heraus. Auch ein Bremsstrahlungsphoton kann ein Elektron herauslösen. Die Schale zu n = 1 nennt man K-Schale. Die nächste Schale, die alle Zustände zu n = 2 umfasst, nennt man L- Schale, die übernächste zu n = 3 nennt man M-Schale usw. Es entsteht also z. B. durch Elektronenstoß oder inneren Fotoeffekt ein Loch in der K-Schale. Dieses Loch kann von weiter außen liegenden Elektronen gefüllt werden. Die frei werdende Energie wird als charakteristische Röntgenstrahlung abgegeben. Stammt das Füllelektron aus der L-Schale, entsteht die K

α

-Linie, stammt es aus der M-Schale entsteht die K

β

-Linie usw. Alle Übergänge, die ein Loch in der K-Schale füllen, bilden die K-Serie. Die Energie der Linien nimmt in der Reihenfolge des griechischen Alphabetes zu und der griechische Index ist ein Maß für das Δn des Übergangs.

Wenn ein Loch in der L-schale entsteht, wird auch dieses von weiter außen liegenden Elektronen gefüllt werden. Diese Übergänge bilden die L-Serie. Die Bezeichnung der entstehenden Linien ist analog L

α

, L

β

usw. Da der Abstand der Energieniveaus mit

zunehmendem n wie beim Wasserstoff-Atom abnimmt, haben die L-Linien eine geringere Energie als die K-Linien.

Bei genauerer Betrachtung bestehen alle Schalen außer der K-Schale aus Unterschalen. Dann

werden die Linien noch weiter unterteilt z. B. in K

α1

und K

α2

. Die Energie der K

α

-Linie ist

dann der Mittelwert dieser Linien.

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