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Röntgenstrahlung

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Physik

In diesem Artikel geht es um die Röntgenstrahlung. Wir erklären dir die Geschichte der Röntgenstrahlung, was die Röntgenstrahlung überhaupt ist, wie sie entsteht und einige Anwendungsbereiche der Strahlung.

Geschichte der Röntgenstrahlung

1895 entdeckte der deutsche Physiker Wilhelm Conrad Röntgen die nach ihm benannten Röntgenstrahlungen. Er selbst nannte sie jedoch X-Strahlen. Im Englischen nennt man jene Strahlen x-rays. Für diese Entdeckung erhielt er auch 1901 den allerersten Nobelpreis. 1912 weist Max von Laue durch Beugung an Kristallen nach, dass es sich bei den X-Strahlen um elektromagnetische Wellen handelt.

Was sind Röntgenstrahlen?

Röntgenstrahlen oder auch Röntgenstrahlung sind elektromagnetische Wellen. Die Wellenlänge dieser Strahlung liegt zwischen 1nm und 1pm. Ihre Quantenenergie liegt etwa zwischen 100eV und 250keV. Bei Betrachtung des elektromagnetischen Spektrums fällt auf, dass die X-Strahlen sich oberhalb des ultravioletten Lichtes befinden.

Wie entstehen Röntgenstrahlen?

Wenn elektrische Ladungen beschleunigt oder abgebremst werden, entsteht elektromagnetische Strahlung. Je größer die Beschleunigung ist, umso größer ist die Frequenz der entstehenden Strahlung. Lässt man Elektronen mit großer kinetischer Energie (mehrere keV) auf eine Metalloberfläche, die Anode, auftreffen, so werden sie abrupt abgebremst. Es entsteht kurzwellige elektromagnetische Strahlung, die Röntgenstrahlung.

Abb. 1: Aufbau einer Röntgenröhre

Quelle via Uni Göttingen

Die Skizze zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Röntgenröhre, mit der Röntgenstrahlung erzeugt wird. Die von einer Glühkatode emittierten Elektronen werden im elektrischen Feld zwischen Katode und Anode beschleunigt und beim Auftreffen auf die Anode stark abgebremst. Es entsteht Röntgenstrahlung (Bremsstrahlung).

Die Röntgenstrahlung gibt ihre Energie wie Licht in Quanten ab.

Was geschieht innerhalb der Anode?

Wenn die auf die Anode treffenden Elektronen außerdem gebundene Elektronen aus den inneren Schalen der Anoden-Atome herausschlagen, dann nehmen Elektronen aus den höheren Schalen diese Plätze ein und geben die Energiedifferenz als "charakteristische Strahlung" ab.

Kontinuierliches Spektrum einer Röntgenröhre

Das kontinuierliche Bremsspektrum kommt zustande, weil die auf die Anode auftreffenden Elektronen beim Eindringen in die Atomhülle abgebremst werden und einen Teil ihrer Energie in Form elektromagnetischer Strahlung (Röntgenquanten) unterschiedlicher Frequenz abgeben. Die Entstehung des charakteristischen Spektrums ist folgendermaßen zu erklären: Aufgrund der großen kinetischen Energie der auftreffenden Elektronen dringen diese bis in die Nähe des Atomkerns vor und heben kernnahe, fest gebundene Elektronen auf ein höheres Energieniveau. Auf den hinterlassenen freien „Platz“ können schwach gebundene Elektronen nachrücken. Dabei wird Energie frei, die in Form von Röntgenquanten abgegeben wird und die für das jeweilige Anodenmaterial charakteristisch ist.

Grenzfrequenz

In Röntgenröhren werden die Elektronen meist mit elektrischen Spannungen im kV-Bereich beschleunigt. Die Frequenz der entstehenden Röntgenstrahlung erstreckt sich über einen weiten Bereich. Es gibt jedoch eine obere Grenze, die Grenzfrequenz. Sie ist umso größer, je größer die Beschleunigungsspannung ist. Um dies zu verstehen, wird der Entstehungsprozess als umgekehrter Fotoeffekt gedeutet: Die bei einem Abbremsvorgang frei werdende Energie erwärmt z. T. die Anode, z. T. wird sie von Photonen davongetragen. Im Extremfall wird die gesamte kinetische Energie des Elektrons auf ein einziges Roentgen-Photon übertragen. Die maximale Photonenenergie beträgt dann also . Daraus können die Grenzfrequenz und die Grenzwellenlänge berechnet werden.

Für die maximale Energie der Photonen einer Röntgenröhre gilt:

Bragg-Reflexion/Interferenz von Röntgenstrahlen

Wenn Röntgenstrahlung unter einem bestimmten Winkel auf eine Kristallebene stößt, so wird diese sowohl an der Oberfläche als auch an den darunter liegenden Netzebenen reflektiert.

Abb. 2: Bragg ReflexionQuelle via Wikimedia

Maxima bei Interferenz von Röntgenstrahlung an Kristallgittern sind unter folgender Bedingung zu registrieren:

: Ordnung des Maximums

: Wellenlänge der Strahlung

: Abstand zwischen den Kristallebenen

: der Winkel des Gangunterschieds

δ: Gangunterschied

Röntgenstrukturanalyse

Die Röntgenstrukturanalyse ist ein Verfahren zur Bestimmung der Anordnung von Atomen oder Ionen in Kristallen unter Verwendung von Röntgenstrahlung. Dazu kann man unterschiedliche Verfahren anwenden. Beim Drehkristallverfahren wird ein Kristall einer monochromatischen Röntgenstrahlung ausgesetzt. Auf einem dahinter liegenden Detektor werden die Interferenzmuster registriert. Bei Verwendung von Film würde an Stellen maximaler Verstärkung eine Schwärzung erfolgen. Würde der Kristall bei jeder Maximum-Stelle um eine zur Verbindungslinie Röntgenröhre-Film parallele Achse gedreht, so erhielte man auf dem Film Maxima in Form konzentrischer Kreise.

Abb. 3: Drehkristall

Quelle via Physik Jena

Debye Scherrer Verfahren

Beim Debye-Scherrer-Verfahren wird ebenfalls mit monochromatischer Röntgenstrahlung gearbeitet. Statt eines einzelnen Kristalls nutzt man ein Kristallpulver, in dem sich eine Vielzahl von Kristallen mit unterschiedlichen räumlichen Orientierungen befinden. Damit ist stets für einige die Bragg-Gleichung erfüllt. Auf einem Film entstehen dann ebenfalls Ringe. Die Skizze unten zeigt dieses Verfahren.

Abb. 4: Debye-Scherrer Verfahren

Quelle via Wikimedia

Anwendung von Röntgenstrahlungen

Wahrscheinlich ist dir der Begriff der Röntgenstrahlung kein neuer Begriff. Womöglich hast du dieses Wort schon öfter mal in der Medizin gehört. Besonders im Krankenhaus nutzt man diese Strahlung sehr oft. Röntgenstrahlung hat einige spezielle Eigenschaften, die für ihre Anwendung von Bedeutung sind:

  • Röntgenstrahlung besitzt eine so große Energie, dass Zellen geschädigt und Stoffe ionisiert werden können.
  • Röntgenstrahlung durchdringt viele Stoffe und wird durch verschiedene Stoffe unterschiedlich absorbiert.
  • Röntgenstrahlung schwärzt Filme.
  • Röntgenstrahlung kann gebeugt werden und interferieren.

Aus diesen Eigenschaften ergeben sich charakteristische Anwendungsmöglichkeiten. In der Röntgendiagnostik wird das Körperteil, der untersucht werden soll, zwischen Röntgenröhre und Film gebracht. Da z.B. Knochen Röntgenstrahlung weniger gut hindurchlassen als das umliegende Gewebe, erhält man auf dem Film ein Abbild des Körperinneren. Organe wie Magen oder Darm können durch Verwendung von Röntgenkontrastmitteln dargestellt werden. Die Röntgentherapie wird u.a. dazu angewendet, um Tumorzellen abzutöten. Dabei nutzt man die höhere Strahlungsempfindlichkeit von krankem Gewebe. Bei der Werkstoffprüfung können mithilfe von Röntgenstrahlung Schweißnähte untersucht oder Werkstücke auf Einschlüsse geprüft werden. Mithilfe der Röntgenstrukturanalyse ist es möglich, die kristalline Struktur von Stoffen zu untersuchen und zu erfassen.

Alles Wichtige zur Röntgenstrahlung auf einen Blick

  • Wilhelm Conrad Röntgen ist Entdecker der Röntgenstrahlen
  • Durch die Abbremsung von beschleunigten Elektronen, entstehen Röntgenstrahlen
  • Die Strahlung einer Röntgenröhre ist ein kontinuierliches Spektrum
  • Genau wie beim Licht, ist die Energie von Röntgenstrahlen gequantelt
  • Röntgenstrahlen können mit sich selbst interferieren
  • In der Medizin werden die Röntgenstrahlen oft verwendet, um in das Innere des Körpers blicken zu können

Du solltest nun das Wichtigste zum Thema Röntgenstrahlung gelernt haben. Die genaue Entstehung der Strahlen, sowie Arten der Anwendungen der Strahlen, als auch der medizinische Nutzen sollte dir klar sein. Falls du dich genauer über elektromagnetische Wellen und deren Eigenschaften informieren willst, würde ich dir empfehlen Einsteins Lichtquantenhypothese anzuschauen.

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