Röntgenstrahlung. Röntgenspektrum Duane-Hunt Gesetz Mosley GesetzBraggstreuung

Transkript

1 1895 Röntgn ntdckt X-Strahln 1896 rst Röntgndiagnostik durch Frost 1896 Bchr glingt Abbildung von Magn und Darm ins Mrschwinchn mit Hilf Kontrastmittls 1899 Stnbck nutzt Röntgnstrahln zur Bhandlung von Hautkarzinomn 1909 Dssaur ntwicklt Röntgnkinmatograph Film ds schlagndn Hrzns 1922 Müllr ntdckt, dass Röntgnstrahln Mutationn auslösn 1929 Einführung Thorotrast (radioaktivs Thorium) als Röntgnkontrastmittl Di Erfahrung wird nun lhrn, ob di ausgfallnn Haar widr nachwachsn. Sollt dis nicht dr Fall sin, so hätt man in dr Bstrahlung in shr infachs Epilationsvrfahrn Röntgnstrahlung Röntgnspktrum Duan-Hunt Gstz Mosly GstzBraggstruung Blichtungszit damals zwanzig Minutn hut Skundn für Röntgn-Computr-Tomograpi1

2 Forschung mit Röntgnstrahlung Noblpris 3

3 Emission aus Atomhüll Ein-Elktronn-Atom Coulombgstz für Elktron im Wassrstoff - qelktronqproton F kc 2 rbohr Effktiv positiv Ladung Z1 Optischs Spktrum Wassrstoff - Lichtmission aus Wassrstoff vom Infrarot übr optisch (Balmr) bis Ultravioltt (Lyman-Sri) - höchst Photonnnrgi ist 13.6 V (Ionisationspotnzial) 6

4 Emission aus Atomhüll Vil-Elktronn-Atom Symptom Effktiv positiv Ladung in Qucksilbr Z=80 Coulombgstz für Elktron auf innrn Schaln - z qelktronqkrn F kc 2 stark Anzihung dr innrn Elktronn durch hoh Krnladung r Optischs Spktrum von Hg h Rydbrg Forml n, m 1 1 xray 2 2 n m Z für Emission aus wassrstoffähnlichn Atomn Faktor Z² ist Folg ds Coulombgstzs - Radin rduzirn sich um Faktor Z - lktrisch Fldstärk rhöht sich um Faktor Z 2 - Vil-Elktronnsystm zichnn sich durch rich strukturirts optischs Spktrum aus - schwr Elmnt habn VIELE Protonn und damit hohn Ladungszustand ds Krns - hoh Bindungsnrgi dr Elktronn in Krnnäh - Elktronischn Übrgängn lifrt nrgirich Strahlung (hoh Bindungsnrgi) 7

5 Bohr für schwr Elmnt Wassrstoffähnlich Atom Symptom Nwtonsch Mchanik bi inlastischm Stoß von Elktronn auf innrn Schaln - Bzichnung dr Schaln K (innrst), L, M, ist Konvntion - Elktronn in innrn Schaln schirmn Krnladung ab - ffktiv Krnladung für Elktronn in dn Schaln ist rduzirt durch innr Elktronn - Mindstnrgi ist notwndig, um Elktronn aus tifligndn Nivaus hrauszulösn 9

6 kintisch Enrgi in Photonn umnwandln Röntgnstrahlung kintisch Enrgi dr Elktronn E 1 2 kin m v 2 E kin Kathod Anod E xray E Quantnphysik h xray ph Enrgi dr Röntgnphotonn - Elktronn gbn bi Abbrmsung (bschlunigt Ladungn strahln) in Anod Strahlung ab - kintisch Enrgi ds Elktrons kann VOLLSTÄNDIG in Strahlung umgwandlt wrdn - Enrgirhaltungssatz lifrt Zusammnhang zwischn E kin und E ph 10

7 Enrgiumwandlung Röntgnröhr Potnzialdiffrnz Hizstrom Stromdicht J Glühlktrischr Effkt 4 m k 3 h RichardsonKonstant xp Richardson Dushman Glichung B T 2 K WA k T B K - typisch Effizinz für Erzung von Röntgnstrahlung nur twa 1% - thrmisch Erhitzung ist Problm bi Btrib von Röntgnröhrn - tchnisch Lösung sind gkühlt, rotirnd Anodn (sognannt Drhanodn) 11

8 Röntgnröhr Emissionsstrom Durch dn Filamntstrom wird dr Elktronnstrom auf di Anod gsturt 12

9 Röntgnröhr Raumladung - vor dr Kathod ist Dicht dr Elktronn hoch (Elktronn bwgn sich noch langsam) - Coulomb-abstoßung dr Ladungn untrinandr limitirt Elktronndicht - Raumladungphänomn limitirt maximaln Strom zur Anod - Bgrnzung dr Strahlintnsität dr Röntgnröhr 13

10 Röntgnstrahlung Winklabhängigkit Symptom Emissionswinkl Röntgnstrahlung zigt stark Abhängigkit von Bschlunigungsspannung - Dipolabstrahlung bi nidrign kintischn Enrgin dr Elktronn - rlativistisch Effkt ändrt sich Emissionswinkl bi höhrn Elktronngschwindigkitn - Emission in Vorwärtsrichtung bi hohn kintischn Enrgin 14

11 Bitrag EINS zum Röntgnspktrum Charaktristisch Strahlung Strahlung K charaktristisch Strahlung Strahlung K -Elktronisch Übrgäng krnnahr Elktronn führt zur Aussndung lmntspzifischr Strahlung durch Röntgnfluorsznz - kintisch Enrgi dr Elktronn muss höhr sin als Elktronnbindungsnrgi in Schal 16

12 K a -Strahlung Faustrgl, um Wllnläng aus Photonnnrgi zu brchnn min xray nm 1.24 E V Enrgi L1 L 2 Enrgi ds mittirtn Röntgnpho E E E K K K K EL tons 8879 V V E 7927 V 2 - Emission Röntgnphoton rfolgt bim Übrgang von äußrr (L, M, ) auf innrst Schal (K) - J längr dr Pfil, dsto höhr ist Enrgi ds Röntgnphotons (Enrgiskala) 17

13 L Sri Emission M L, L L Röntgnmission Elmntspzifisch K Sri Emission L K K, K Enrgi Hnry Mosly ) - Photonnnrgi dr Hinwis auf Enrgiabständ dr Elktronn auf innrn Bahnn - charaktristisch Strahlung zigt ähnlichs Vrhaltn für ALLE Elmnt - systmatisch Bzihung zwischn Frqunz dr Strahlung und Ordnungszahl - Ordnungszahl KEINE willkürlich gwählt Zahl - Aufspaltung dr K- und L-Linin rst spätr durch Entdckung ds Elktronnspins möglich 18

14 Bdutung Mosly Gstz Symptom - mit stigndr Ordnungszahl stigt Btrag dr Enrgidiffrnz zwischn K- und L-Schal -K -Lini vrschibt sich mit stigndr Ordnungszahl zu höhrn Frqunzn Mosly Gstz 1 K 3R Z Intgrzahl wird von Mosly als Krnladungszahl idntifizirt - Abhängigkit von Z von Wurzl dr Frqunz rlaubt Bohr-Analys innrr Elktronn - Lückn im Plot bi 43, 61, 75 führn zu Vorhrsag für bislang unbkannt Elmnt Rhnium (Ordnungszahl 75) nachgwisn 1925 Tchntium (Ordnungszahl 43) nachgwisn 1937 Promthium (Ordnungszahl 61) nachgwisn zrstörungsfri Elmntanalys von Substratn 19

15 nrgy-disprsiv analysis EDX 20

16 Brmsstrahlung Struung am Coulombpotntial ds Krns lktromagntisch Strahlung durch Bschlunigung dr Elktronn im Krnbrich 21

17 Brmsstrahlung Röntgnstrahlung Vorbiflug nah am Krn nrgirichrs Photon Vorbiflug ntfrnt vom Krn nrgiärmrs Photon - Wllnläng dr mittirtn Strahlung hängt vom Abstand zum Krn ab - kurzwllig, nrgirich Photonn, wnn Struung in Krnnäh - langwllig, nrgiärmr Photonn, wnn Struung in Entfrnung vom Krn Höhr Bschlunigung lifrt höhr Photonnnrgi 22

18 Bitrag ZWEI zum Röntgnspktrum Brmsstrahlung v a d dt v 0 Brmsstrahlung - Elktronn rfahrn in Näh Atomkrn Bschlunigung (Ändrung dr Richtung) - Bschlunigung führt zu Aussndung nrgirichr lktromagntischr Strahlung - Abstarhlung lktromagntischr Strahlung führt zu rduzirtr kintischr Enrgi - Spktrum ist kontinuirlich und nrgtisch bgrnzt durch Duan-Hunt Gstz - Bitrag zum Röntgnspktrum wird Brmsstrahlung gnannt 23

19 Enrgirhaltungssatz Duan-Hunt Gstz Enrgirhaltungssatz kintisch Enrgi Photonnnrgi E 1 2 kin m v min xray 2 minimal Röntgnwllnläng min xraynm U c h hc min xray min xray 1 U 1 V Duan Hunt Gstz Bschlunigungsspannung Zusammnhang zwischn minimalr Röntgnwllnläng und Spannungsabfall zwischn Anod und Kathod E c h ph U E kin kintisch Enrgi aus Potnzialdiffrnz Potnzial 2 q E d Faustrgl, um Duan-Hunt infach zu brchnn min xray q Abstand d Fldstärk E Spannung U nm 1.24 U kv 2 1 q U Potnzial 1 Kintisch Enrgi ds Elktrons kann vollständig in Strahlung umgwandlt wrdn 24

20 Röntgnstrahlung Maximal wivil? Duan Hunt Gstz max xray U maximal Frqunz dr Röntgnstrahlung h max xray E kin kintisch Enrgi Bschlunigungsspannung U 39.3 kv U minimal Wllnläng dr Röntgnstrahlung min xray nm kv Hz max 18 xray maximal Frqunz dr Röntgnstrahung Maximal Photonnnrgi dr Röntgnstrahlung hängt von Bschlunigungsspannung ab 25

21 Brmsstrahlung Spktrum Spktrum ins Wolframtargts bi Bschuss mit 100 kv Elktronn Spktrum dr Brmsstrahlung nimmt koninuirlich ab, bis zur Duand-Hunt Grnz 26

22 Röntgnlicht Di bidn zwi Biträg zum Enrgispktrum dr Röntgnlichts 27

23 Röntgnspktrum charaktristisch Strahlung lmntspzifisch Brmsstrahlung kontinuirlich Duan Hunt Mittlr Photonnnrgi ds Röntgnlichts twa 30% untrhalb Duan-Hunt Gstz 28

24 Intnsität dr X-Strahln Abhängigkit von Bschlunigungsspannung Röntgnstrahlung U 50 kv U U 70 kv 90 kv U 110 kv U 130 kv Duan Hunt Enrgi dr Photonn/ kv - Hochspannung zur Bschlunigung dr Elktronn binflusst Struktur Röntgnspktrum - Brmsstrahlungs-Spktrum ist abhängig von dr Höh dr Bschlunigungsspannung - Charaktristischs Spktrum ist unabhängig von Bschlunigungsspannung, solang - kintisch Enrgi dr Elktronn richt aus, um Elktron aus innrr Schal zu schlagn 29