Chemie Grundlagen

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Physikalische Chemie

Röntgenstrahlung

Hier lernst du was es mit der Röntgenstrahlung auf sich hat und welche Eigenschaften sie hat. Anhand von Anwendungsbeispielen zeigen wir dir ihre Funktionalität.

Schau dir am besten noch unser Video  an. Hier haben wir alle wichtigen Punkte audiovisuell für dich aufbereitet.

Inhaltsübersicht

Röntgenstrahlung einfach erklärt

Wilhelm Conrad Röntgen ist der Entdecker der Röntgenstrahlung. Im mittel- und osteuropäischen Raum trägt sie ihren Namen zu seinen Ehren. Andernorts bezeichnet man sie als X-Strahlen oder auch x-rays im Englischen. Röntgen selbst, hat die Strahlung als X-Strahlung bezeichnet.

Bei der Röntgenstrahlung handelt es sich um eine elektromagnetische Welle.  Ihre Quantenenergien liegen oberhalb von 100 eV (Elektronen-Volt). Betrachtest du das elektromagnetische Spektrum, so findest du sie oberhalb des ultravioletten Lichtes. Die Energien der Röntgenstrahlung und der Gamma Strahlung  überschneiden sich in weiten Bereichen. Unterschieden werden die beiden jedoch aufgrund ihrer Entstehung. Während Gamma Strahlung die Folge von radioaktiven Zerfällen ist, entsteht Röntgenstrahlung aufgrund der Geschwindigkeitsänderung geladener Teilchen oder durch atomare Übergänge. Im ersten Fall wird sie auch als Bremsstrahlung bezeichnet im Letzteren als charakteristische Röntgenstrahlung. Charakteristische Röntgenstrahlung ist Röntgenstrahlung, welche ein Linienspektrum erzeugt und bezeichnend für das emittierende Element ist. Sie entsteht durch Übergänge zwischen Energieniveaus der inneren Elektronenhülle.

Röntgenstrahlung

Die Röntgenstrahlung ist ziemlich bekannt im Alltag. Brichst du dir zum Beispiel einen Knochen gehst du zum Arzt, um dich durchleuchten zu lassen. Das macht er mit einem Gerät, das Röntgenstrahlung auf das betroffene Körperteil richtet. Sie durchdringt den Körper und macht dabei Knochen und Organe sichtbar.

Röntgenstrahlung Entstehung

Röntgenstrahlung entsteht zumeist durch die Be- oder Entschleunigung geladener Teilchen. Sie kann aber auch durch Protonen oder positive Ionen und sogar natürlich, durch Absorption anderer Strahlung entstehen.

Bremst du ein geladenes Teilchen ab, gibt es Energie ab und sendet dabei Röntgenstrahlung aus. Diese Abbremsung kann durch Absorption oder aufgrund der Wechselwirkung mit anderen Feldern geschehen. Bei der Absorption können dann wiederum hochenergetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen ausgelöst werden, welche ihrerseits zur Emission von Röntgenstrahlung führen. Die Röntgenröhre nutzt beide dieser Methoden aus. Darauf gehen wir im weiteren Verlauf des Artikels genauer ein.

In zyklischen Teilchenbeschleunigern entsteht oft auch Röntgenstrahlung. Hierbei handelt es sich um Bremsstrahlung oder auch Synchrotronstrahlung. Sie entsteht durch das Eintreten geladener Teilchen in ein Magnetfeld. Dieses lenkt die Teilchen quer zu ihrer Bewegungsrichtung ab. Da eine Richtungsänderung eine Beschleunigung ist, wird hierdurch Röntgenstrahlung erzeugt.

Röntgenstrahlung entsteht auch bei der Abbremsung schneller positiver Ionen in Materie. Ähnlich wie bei der Absorption geladener Teilchen, werden hierdurch atomare Übergänge ausgelöst, die zur Emission von Röntgenstrahlung führen. Das nennst du dann teilcheninduzierte Röntgenemission.

Auf der Erde entstehen Röntgenstrahlen seltener. Wenn diese erzeugt wird, dann ist das meist die Folge der Absorption anderer Strahlung. Diese sind die Folge von radioaktiven Zerfällen oder der Höhenstrahlung.

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Röntgenröhre

Wie bereits erwähnt, nutzt du bei der Röntgenröhre das Abbremsen und Absorbieren geladener Teilchen, zur Erzeugung von Röntgenstrahlung, aus. Dazu erhitzt du zunächst eine Glühwendel. Diese sendet Elektronen aus, deren Beschleunigung noch nicht groß genug ist, um Röntgenstrahlung zu erzeugen. Die Elektronen treffen anschließend auf eine Anodenplatte und werden absorbiert. Hier führen zwei Effekte zur Emission von Röntgenstrahlung.
Zunächst erzeugen die auftreffenden Elektronen diese Strahlung, da sie stark abgebremst werden. Gleichzeitig schlagen diese, weitere Elektronen aus den Atomhüllen der Anodenatome. Andere Elektronen füllen die so entstandenen Löcher wieder auf. Diese atomaren Übergänge führen dann zur Emission charakteristischer Röntgenstrahlung.

Röntgenröhre, Röntgenstrahlung
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Röntgenröhre

Charakteristische Röntgenstrahlung

Zur Beschreibung von Atomen werden verschiedene Modelle benutzt. Meist wird das Orbitalmodell herangezogen um die Elektronenkonfiguration zu erklären. Eine einfachere Darstellung des Orbitalmodells ist das sogenannte Schalenmodell. Demnach sind Elektronen der Atomhülle ähnlich wie die Schalen einer Zwiebel angeordnet. Jede Schale gibt den Aufenthaltsort von Elektronen ähnlicher Bindungsenergien wieder. Das ist die Energie, welche die Elektronen im Orbit des Atomkerns hält. Die dem Atomkern nächstgelegene Schale heißt K-Schale. In ihr sind maximal zwei Elektronen enthalten. Die darauffolgende Schale wird als L-Schale bezeichnet. In ihr befinden sich maximal acht Elektronen.

Um die charakteristische Röntgenenergie zu erzeugen, muss ein freies Elektron mit der, einer Schale entsprechenden, Energie, ein gebundenes Elektron herausschlagen. Auf das gestoßene Elektron muss so viel Energie übertragen werden, wie nötig wäre es aus seiner Bindung zu lösen und es in Folge auf die nächste unbesetzte Schale springen zu lassen. Daher ist die Strahlenenergie meist größer als die Bindungsenergie. Ein so bestrahltes Atom ist dann ionisiert.
Ein Elektron aus einer höheren Schale füllt das so geschlagene Loch wieder aus. Da es aus einer höher energetischen Schale kommt, gibt es seine überschüssige Energie in Form eines Photons ab. Dabei handelt es sich dann um Röntgenstrahlung. Das Spektrum dieser Röntgenstrahlung ist charakteristisch für das entsprechende Element. Dies ermöglicht die Identifizierung einzelner Elemente.

Röntgenstrahlung Eigenschaften

Röntgenstrahlung ist in der Lage Materie zu durchdringen. Der durchdrungene Stoff bestimmt wie stark sie abgeschwächt wird. Aufgrund der Wechselwirkung mit dem Medium nimmt die Intensität der Strahlung ab. Diese Intensitätsabnahme kannst du in Abhängigkeit der im Medium zurückgelegten Wegstrecke berechnen. Hierzu verwendest du das Lambert-Beersche Gesetz . dieses besagt, dass die Intensität mit der im Material zurückgelegten Wegstrecke exponentiell abnimmt.

I = I_0 \cdot e^{-\my d}

In dieser Formel repräsentiert I die Intensität der Strahlung, I_0 die initiale Intensität, d die Dicke des Mediums beziehungsweise die zurückgelegte Wegstrecke der Röntgenstrahlung und \mu den Absorptionskoeffizienten. Der Absorptionskoeffizient ist eine Materialkonstante. Dieser ist in etwa proportional zu Z^4 \lambda^3 mit der Kernladungszahl Z und der Wellenlänge \lambda.

Die Absorption im Medium erfolgt, abhängig von der Photonenenergie, durch verschiedene Prozesse.
Hat ein Photon genug Energie um ein Elektron aus einer der Elektronenschalen des Atoms zu schlagen, handelt es sich um die Photoabsorption. Ein nachrückendes Elektron füllt das so entstandene Loch wieder aus. Das führt dann zur Emission von Fluoreszenzstrahlung.
Ein weiterer Prozess ist die Compton-Streuung. Hierbei wird das Photon an einem Elektron gestreut und dessen Wellenlänge, abhängig vom Streuwinkel, länger. Demnach gibt es also Energie ab.

Röntgenstrahlung Anwendung

Die wohl bekannteste Anwendung der Röntgenstrahlung ist das Röntgen selbst. Hierbei wird der Körper mit Röntgenstrahlung durchleuchtet. Da das in Knochen enthaltene Kalzium eine wesentlich größere Ordnungszahl hat als die Elemente der weicheren Gewebe, wird die Strahlung dort stärker absorbiert. Das Ausnutzen dieses Zusammenhangs ermöglicht die bildliche Darstellung des Inneren eines Körpers.

Aber auch die Behandlung von Krebs ist mit Röntgenstrahlung möglich. Da dieser empfindlicher gegenüber Strahlung ist als gesundes Gewebe, kannst du ihn mit gezielter Bestrahlung zerstören.

Röntgenstrahlung Wellenlänge

Die Wellenlänge \lambda einer Strahlung sagt aus wie viel Energie die Strahlung hat. Je kürzer sie hierbei ist, desto größer ist die Energie. Im Falle der Röntgenstrahlung liegt die Wellenlänge in einem Bereich zwischen 1 nm (Nano-Meter) bis 30 pm (Piko-Meter). Damit überlappt ihr Energiespektrum stark mit dem der Gammastrahlung. Da beides elektromagnetische Strahlungen sind, wirken diese bei gleicher Energie auch auf gleiche Weise.
Wie bereits erwähnt, identifizierst du sie daher anhand ihrer Entstehung.

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