Röntgenstrahlung
Wie entstehen eigentlich Röntgenstrahlen? Das erfährst du im Video und hier im Beitrag!
Wie entsteht Röntgenstrahlung?
Röntgenstrahlung entsteht, wenn Elektronen mit hoher kinetischer Energie stark abgebremst werden oder ihre Richtung ändern.
Einfach gesagt heißt das: Um Röntgenstrahlen zu erzeugen, brauchst du Elektronen, die sich sehr schnell bewegen. Sie müssen dann auf ein Metall treffen, durch das sie stark abgebremst werden.
Durch die Abbremsung wird elektromagnetische Strahlung abgegeben — die Röntgenstrahlung. Nach demselben Prinzip funktioniert die sogenannte Röntgenröhre, in der du Röntgenstrahlen erzeugen kannst.
Röntgenröhre Aufbau und Funktion
Die Röntgenröhre ist aus einem Glaskolben, einer negativ geladenen Kathode und einer positiv geladenen Anode aufgebaut. An der Kathode werden die Elektronen erzeugt. Im Glaskolben werden sie beschleunigt und treffen auf der metallischen Anode auf. Du kannst den Aufbau der Röntgenröhre deshalb in drei Bereiche unterteilen.
- Die Glühkathode: Wenn du sie an eine Spannung anlegst, erhitzt sie sich und beginnt zu glühen. Dadurch werden negativ geladene Elektronen aus der Kathode gelöst. Damit sich die Elektronen nicht in verschiedene Richtungen ausbreiten, wird die Glühkathode von einem Richtungszylinder (Wehnelt-Zylinder) umgeben, der die Elektronen bündelt.
- Der Glaskolben: Auf dem Weg zwischen der Kathode und der Anode werden die Elektronen sehr stark beschleunigt. Das funktioniert zum einen, weil im Glaskolben ein Vakuum ist. Das heißt, dass sich keine Luft im Kolben befindet, der die Elektronen bremsen könnte. Zum anderen liegt an der Kathode und der Anode die sogenannte Beschleunigungsspannung an. Durch sie wird die Kathode negativ geladen, die Anode hingegen positiv. Weil sich gleiche Ladungen abstoßen und ungleiche Ladungen anziehen, werden die negativen Elektronen weiter beschleunigt.
- Die Anode: Hier treffen die Elektronen mit großer Geschwindigkeit auf das Metall der Anode auf. Die dabei entstehende Hitze könnte die Anode zum Schmelzen bringen, weswegen sie gekühlt wird. Durch das Auftreffen werden die Elektronen extrem abgebremst, wodurch Röntgenstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen entstehen. Du bezeichnest sie als Bremsstrahlung.
Röntgenstrahlung Entstehung
Alleine das starke Abbremsen der Elektronen beim Auftreffen auf das Metall erzeugt schon Röntgenstrahlung in Form von Bremsstrahlung. Das sind viele verschiedene Röntgenstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen.
Außerdem kann beim Abbremsen auf dem Metall die charakteristische Röntgenstrahlung erzeugt werden. Das passiert, wenn die ankommenden Elektronen sehr viel Energie haben. Dann schlagen sie Elektronen aus den Atomen der Anode heraus. Umliegende Elektronen füllen die so entstandenen Lücken wieder auf, wodurch wiederum Röntgenstrahlung entsteht.
Du bezeichnest sie aber als charakteristische Röntgenstrahlen, weil sie vom Material der Anode abhängig sind — jedes Material erzeugt eine für sich charakteristische Röntgenstrahlung.
Röntgenstrahlung Anwendung
Röntgenstrahlung wird in unterschiedlichen Bereichen angewendet. Dabei ist wichtig, wie stark die Beschleunigungsspannung ist. Zwar entstehen schon ab etwa 100 V Röntgenstrahlen, jedoch beträgt die Beschleunigungsspannung im medizinischen Bereich zwischen 1 kV und 150 kV:
- Röntgen: Wenn du dir schon einmal einen Knochen gebrochen hast, wurdest du wahrscheinlich geröntgt. Dabei wird beispielsweise der Arm mit Röntgenstrahlen durchleuchtet. Weil dein Knochen viel Kalzium enthält, kann er schwerer von den Strahlen durchdrungen werden, als das restliche Gewebe. Dadurch entsteht ein Bild, auf dem der Knochen besser sichtbar ist als das Gewebe.
- Behandlung von Krebs: Krebszellen sind häufig empfindlicher gegenüber Röntgenstrahlung als gesundes Gewebe. Durch eine gezielte Bestrahlung können sie deshalb zerstört werden.
Im technischen Bereich ist die Beschleunigungsspannung sogar noch höher. Um zum Beispiel Schweißnähte zu prüfen, also sozusagen Metall zu röntgen, werden bis zu 250kV verwendet!
Eigenschaften von Röntgenstrahlen
Bei Röntgenstrahlen handelt es sich also um elektromagnetische Strahlen. Ihre Energie liegt zwischen 100 eV (Elektronen Volt) und 250 keV (Kilo Elektronen Volt). Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung bewegt sich zwischen 10 nm (Nanometer) und 0,1 nm. Damit liegen sie auf dem elektromagnetischen Spektrum oberhalb des ultravioletten Lichts.
Du möchtest wissen, was genau das elektromagnetische Spektrum ist und wie Röntgenstrahlung mit ultraviolettem Licht zusammenhängt? Dann schau dir hier unser Video dazu an!
