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Röntgenstrahlen


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Röntgenstrahlen sind elektromagnetische Wellen mit einer Photonenenergie die höher ist als die von ultraviolettem Licht.

Inhaltsverzeichnis

Einordnung im elektromagnetischen Spektrum

Die Energiebereiche der Gamma - und Röntgenstrahlen überschneiden sich in einem Bereich. Beide Strahlungsarten sind elektromagnetische Strahlung und bei gleicher Energie deshalb äquivalent. Unterscheidungskriterium ist die Herkunft: Röntgenstrahlen entstehen im zu den Gammastrahlen nicht bei Prozessen im Atomkern sondern hochenergetische Elektronenprozesse . Röntgenphotonen haben eine Energie von etwa eV bis 250 keV . Das entspricht einer Frequenz von ca. <math>3\cdot10^{16}</math> Hz bis <math>6\cdot10^{19}</math> und einer Wellenlänge von ca. 0 5 pm - 5 nm wobei weiche Röntgenstrahlen die kleinste Energie Frequenz und die größte Wellenlänge haben harte dementsprechend die größte Energie und Frequenz und kleinste Wellenlänge.

Erzeugung

Röntgenstrahlen entstehen durch starke Beschleunigung geladener Teilchen (meistens Elektronen) oder durch Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen . Beide Effekte werden in der Röntgenröhre ausgenutzt in der Elektronen zunächst beschleunigt werden (dabei setzen sie Röntgenstrahlung frei weil die Beschleunigung nicht groß ist) und anschließend auf einen Metallblock treffen dem sie stark abgebremst werden (hierbei entsteht Bremsstrahlung ) und Elektronen aus den Schalen der herausschlagen. Die Löcher in den Schalen werden andere Elektronen aufgefüllt wobei Röntgenstrahlung mit einer Energie entsteht ( charakteristische Röntgenstrahlung ).

Eine weitere Möglichkeit Röntgenstrahlen zu erzeugen Teilchenbeschleuniger . In ihnen entsteht wenn der Teilchenstrahl starkes Magnetfeld passiert und dadurch abgelenkt d.h. zu seiner Ausbreitungsrichtung beschleunigt wird die so Synchrotronstrahlung . Bis zu einer gewissen Maximalenergie enthält Synchrotronstrahlung das gesamte elektromagnetische Spektrum bei passend Parametern (Stärke des Magnetfeldes und Teilchenenergie) ist auch Röntgenstrahlung vertreten.

Wechselwirkung mit Materie

Röntgenstrahlen können Materie durchdringen. Sie werden je nach Stoffart unterschiedlich stark geschwächt. Die der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei radiologischen Bilderzeugung. Die Intensität des Röntgenstrahls nimmt der im Material zurückgelegten Weglänge exponentiell ab.

Die Absorption resultiert aus der Photoabsorption und der Compton-Streuung :

  • Bei der Photoabsorption schlägt das Photon ein Elektron aus der Elektronenhülle eines Dafür ist eine bestimmte Mindestenergie notwendig. Betrachtet die Absorptionswahrscheinlichkeit in Abhängigkeit von der Photonenenergie sie bei Erreichen der Mindestenergie abrupt auf Maximalwert an. Zu höheren Photonenenergien nimmt die dann wieder kontinuierlich ab. Wegen dieser Abhängigkeit man auch von einer Absorptionskante . Das Loch in der Elektronenhülle wird durch andere Elektronen aufgefüllt. Dabei entsteht niederenergetische Fluoreszenzstrahlung .
  • Außer an stark gebundenen Elektronen wie bei Photoabsorption kann ein Röntgen-Photon auch an ungebundenen schwach gebundenen Elektronen gestreut werden. Diesen Prozess man Compton-Streuung . Die Photonen erfahren durch die Streuung vom Streuwinkel abhängige Verlängerung der Wellenlänge um festen Betrag und damit einen Energieverlust. Im zur Photoabsorption tritt die Compton-Streuung erst bei Photonen-Energie und vor allem bei leichten Atomen den Vordergrund.

Bei der Photoabsorption und der Compton-Streuung es sich um inelastische Prozesse bei denen Photon Energie verliert und schließlich absorbiert wird. ist auch elastische Streuung ( Rayleigh-Streuung ) möglich. Dabei beleibt das gestreute Photon kohärent zum einfallenden und behält seine Energie.

Zusätzlich zu den genannten Prozessen ist Photonen prinzipiell auch die Paarbildung möglich. Dafür sind jedoch Energien jenseits ca 1 MeV nötig die nicht in den oben Bereich für Röntgenphotonen (<250 keV) fallen.

Biologische Wirkung

Röntgenstrahlen zählen zu den ionisierenden Strahlen und können deshalb Veränderungen im lebenden bis hin zu Krebs verursachen. Diese meist unerwünschten Effekte begründen Notwendigkeit des Strahlenschutzes .

Nachweis

  • Lumineszenzeffekt . Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtabgabe ("Fluoreszenz"). Dieser Effekt wird auch bei der Bilderzeugung genutzt. Medizinische Röntgenfilme enthalten meistens eine Folie die bei Auftreffen eines Röntgenphotons Licht und die umliegende lichetempfindliche Fotoemulsion belichtet.
  • Photographischer Effekt. Röntgenstrahlen können ebenso wie Licht Filme direkt schwärzen. Ohne eine fluoreszierende Folie allerdings eine ca. 10-20fach größere Intensität benötigt. Vorteil liegt in der größeren Schärfe des Bildes.
  • Einzelne Röntgenphotonen werden im Zählrohr durch die eines Zählgases nachgewiesen.
  • In Halbleiter- Strahlungsdetektoren wie Si(Li)-Detektoren erzeugen die Röntgenphotonen Elektron-Loch-Paare der intrinsischen Zone einer in Sperrrichtung betriebenen Diode . Dadurch wird ein kleiner Strom hervorgerufen Stärke proportional zur Energie und Intensität der Röntgenstrahlung ist.

Anwendungen

Mit Röntgenstrahlen kann der menschliche Körper werden wobei v.a. Knochen aber bei modernen auch innere Organe sichtbar werden (s.a. Röntgen ). Dabei wird die Tatsache ausgenutzt dass in den Knochen vorkommende Element Calcium mit Z=20 eine deutlich höhere Ordnungszahl als die Elemente aus denen die weichen hauptsächlich bestehen nämlich Wasserstoff (Z=1) Kohlenstoff (Z=6) Stickstoff (Z=7) und Sauerstoff (Z=8). Neben herkömmlichen Geräten die eine Projektion produzieren werden auch die so genannten Computertomographen eingesetzt die eine räumliche Rekonstruktion des ermöglichen.

In der Materialphysik der Chemie und der Biochemie wird Röntgenstrahlung zur benutzt. Ein bekanntes Beispiel ist die Strukturaufklärung DNA .

Darüber hinaus kann mit Röntgenstrahlen auch Elementzusammensetzung eines Stoffes bestimmt werden. In einer (bzw. äquivalent im Elektronenmikroskop ) wird die zu analysierende Substanz mit bestrahlt worauf die Atome ionisiert werden und Röntgenstrahlung abgeben. Statt mit Elektronen kann auch Röntgenstrahlen bestrahlt werden. Dann spricht man von Röntgenfluoreszenzanalytik (RFA).

Natürliche Röntgenstrahlung

Auf der Erde entstehen Röntgenstrahlen in Intensität im Zuge der Absorption anderer Strahlungsarten von radioaktivem Zerfall und der Höhenstrahlung stammen. die auf anderen Himmelskörpern entstehen erreichen die nicht weil sie durch die Atmosphäre abgeschirmt Um sie zu untersuchen weden Röntgensatelliten wie Chandra und XMM-Newton in eine Umlaufbahn um die Erde

Entdeckungsgeschichte

Die Entdeckung der Röntgenstrahlen wird meistens Wilhelm Conrad Röntgen zugeschrieben. Er war der erste der Entdeckung der von ihm X-Strahlen bezeichneten Strahlung in einer Veröffentlichung mit Titel "Über eine neue Art von Strahlen" gab. Das war am 28. Dezember 1895 . Es gilt aber als sicher dass andere vor ihm Röntgenstrahlen erzeugt haben. In Johann Hittorf und William Crookes entwickelten Kathodenstrahlröhren die auch Röntgen für Experimente verwendete entsteht Röntgenstrahlung die in Experimenten Crookes und ab 1892 von Heinrich Hertz und seinem Schüler Philip Lenard durch von fotografischen Platten nachgewiesen wurde ohne sich offenbar über die Bedeutung der Entdeckung im zu sein. Auch Nikola Tesla experimentierte ab 1887 mit Kathodenstrahlröhren und erzeugte dabei Röntgenstrahlen seine Ergebnisse aber nicht.

Da die genannten Wissenschaftler ihre Kenntnisse bekanntgaben wusste auch Röntgen nichts davon. Er die Röntgenstrahlen unabhängig entdeckt als er fluoreszierendes beim Betrieb der Kathodenstrahlröhre beobachtete. Zu Röntgens hat sicherlich auch die Röntgenaufnahme einer Hand Frau beigetragen die er in seiner ersten zur Röntgenstrahlung abbildete. Diese Berühmtheit trug ihm 1901 den ersten Nobelpreis für Physik ein wobei das Nobelpreiskomitee die praktische der Entdeckung hervorhob. 1896 wurde der heutige Name erstmals eingeführt. Deutschland hat sich die Bezeichnung Röntgenstrahlen eingebürgert während sich in den meisten (z.B. engl. x-rays ) der alte Name geblieben ist.

siehe auch: N-Strahlen

Weblinks



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