Die Arten der ionisierenden Strahlen. Strahlenquellen

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Peter Ziegler
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1 Die Arten der ionisierenden Strahlen. Strahlenquellen Kernstr. Kernstrahlungen (4-21) Röntgenstrahlung (22-43) Anhang 1. Intensität (44) 2. Spektrum (45-47) 3. Atom (48-56) Repetitio est mater studiorum. (Wiederholung ist die Mutter der Studien.) Röntgen 1 Ionisation heisst jeder Vorgang, bei dem aus einem Atom oder Molekül ein oder mehrere Elektronen entfernt werden, so dass das Atom oder Molekül als positiv geladenes Ion zurückbleibt. Ionisierende Strahlung die Strahlung, die über ausreichend Energie verfügt, um während der Absorption im Medium auf direkte oder indirekte Weise Ionenpaare (Ion + +freies Elektron ) anzuregen. Dazu gehören die Korpuskularstrahlungen und von den elektromagnetischen Strahlungen die Röntgen- bzw. γ- Strahlung. 2 Klassifizierungsmöglichkeiten Kernstrahlungen Kernstrahlung Die Energie stammt aus dem Atomkern. α, β, γ, p, n, Teilchenstrahlung positive ruhige Masse α, β, p, n, direkte Ionisation geladene Teilchen α, β, p, Röntgenstrahlung Die Energie stammt aus der Elektronenhülle. Rtg Elektromagnetische Strahlung keine ruhige Masse Rtg, γ indirekte Ionisation ohne elektrische Ladung Rtg, γ, n 3 4

6 Röntgenstrahlung elektromagnetische Strahlung Photonenergie: Diagnostik: kev Therapie: 5-20 MeV Wellenlänge: ~ pm Photonenenergie: mev ev kev MeV GeV Energie Frequenz Wellenlänge Bezeichnung Emissionsquelle 30 Hz 10 4 km 300 Hz 10 3 km niederfrequente Wellen Generatoren der Industrie 3 khz 10 2 km 30 khz 10 km Langwellen 300 khz 1 km 3 MHz 100 m Mittelwellen 30 MHz 10 m Kurzwellen elektrische Generatoren 300 MHz 1 m Ultrakurzwellen 3 GHz 100 mm Dezimeterwellen 30 GHz 10 mm Zentimeterwellen 300 GHz 1 mm 0.01 ev 3 THz 100 um 0.1 ev 30 THz 10 um Infrarotstrahlen Strahlung heisser Körper 1 ev 300 THz 1 um 10 ev 3 PHz 100 nm sichtbares Licht Energieumsatz in der 100 ev 30 PHz 10 nm Ultraviolettstrahlung Atomhülle 1 kev 300 PHz 1 nm 10 kev 3 EHz 100 pm Abbremsung von Elektronen 100 kev 30 EHz 10 pm Röntgenstrahlen im Kernfeld 1 MeV 300 EHz 1 pm 10 MeV 3x10 21 Hz 100 fm 30x10 21 Hz 10 fm Gammastrahlen Energieumsatz im Atomkern 300x10 21 Hz 1 fm 3x10 24 Hz 100 am Elementarteilchen und deren 30x10 24 kosmische Strahlung Hz 10 am Zerfallsprodukte 23 Radiowellen µw Entstehung: in der Elektronenhülle Typen: Bremsstrahlung charakteristische Strahlung Wirkungen: Ionisation Lumineszenz (Fluoroskopie, Bildverstärker) chemische W. (z.b. Photo) biologische W. (Strahlenschädigung) 24

7 Historie 1895 Wilhelm Conrad Röntgen X-Strahlung (X-ray) 1896 erste medizinische Anwendung 1901 Nobel Preis (erste Nobel Preis in Physik) heute: 3D Röntgen-CT Entstehung der Röntgenstrahlung Röntgenstrahlung Entsteht wenn hochenergetische (beschleunigte) geladene Teilchen ihre Energie abgeben. Röntgenröhre (Diagnostik) Teilchenbeschleuniger (Therapie) Geräte zur Erzeugung der Röntgenstrahlung Die Röntgenröhre (1) Röntgenröhre Teilchenbeschleuniger Anode U Heiz Vakuum Isolator Heizkathode: Heizung (T Erhöhung) Erhöhte thermische Energie Elektronen treten aus der Kathode aus. (Glühelektrischer Effekt) 27 28

8 Die Röntgenröhre (2) Die Röntgenröhre (3) U I U I U Heiz U Heiz Anodenspannung(U) (typisch kv): beschleunigt die Elektronen U e = E kin Elementarladung e=1, C kinetische Energie des beschleunigten Elektrons 29 Röntgenstrahlung entsteht wenn die beschleunigten Elektronen auf die Anode prallen. 1. Abbremsung (Bremsstrahlung) 2. Elektronenausstoß+Elektronenübergang (Charakteristische Str.) 30 Bremsstrahlung Grenzwellenlänge, Duane-Hunt Gesetz Kinetische Energie E kin h f Ue = Ekin hf = c Ue h λ hc λ = Ue Photonenenergie (Rtg) Thermische Energie c h λ λ min 31 hc λ = Ue λ min λ min Const 1230 kv pm = U nicht SI aber praktische Einheit 32

9 Emissionsspektrum der Bremsstrahlung (1) Emissionsspektrum der Bremsstrahlung (2) dp dλ U 1 U 2 Anodenspannung λ min λ mod E photon härtere Strahlung N photon Leistung dp dλ I 2 U 2 I 1 U 1 Anodenstrom λ min - λ mod - E photon - härte d. Strahlung - N photon Leistung λ min λ mod λ λ min λ mod λ Ohm harte weiche Strahlung 33 harte weiche Strahlung 34 Regulierung der Anodenstromstärke Leistung der Röntgenstrahlung U Heiz U I dp dλ P (gesamte Röntgenleistung) P (λ 1,λ 2 ) mehr Heizung mehr Elektronen treten aus größerer Anodenstrom (I= Q/ t) 35 λ min P = c U 2 I Z λ Konst. (1, V -1 ) Anodenspannung Anodenstromstärke Ordnungszahl des Anodenmaterials 36

10 Wirkungsgrad der Röntgenröhre Wirkungsgr ad = nützliche Leistung zugeführte Leistung 2 cu IZ η = UI = cuz Anodenmaterial mit hoher Ordnungszahl! praktisch: Wolfram (Z=74) typischer Wert von η : <1% >99% Wärme! Z blei =82! Aber: T Schm,W 3400 C T Schm,Pb 330 C 37 Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (1) E kin beschleunigtes Elektron aus der Kathode Atom des Anodenmaterials 38 Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (2) Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (3) leere Stelle Atom des Anodenmaterials 39 Atom des Anodenmaterials 40

11 Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (4) leere Stelle gefüllt Entstehung der charakteristischen Röntgenstrahlung (5) E charakteristisches Röntgenphoton hf = E ev kev M L L K K Linien Atom des Anodenmaterials Atom des Anodenmaterials dp dλ Spektrum der charakteristischen Röntgenstrahlung E Anhang 1. Intensität Strahlung: Energie wird transportiert (Energiestrahlung) Energie, E [E] = J (Joule) Energiestrom = Leistung P = E [P] = W (Watt) t E: die transportierte Energie während der Zeitspanne t U 1 U 2 L K Linien Energiestromdichte =Leistungsdichte = Intensität [J] = W/m 2 J = P A 1 E = A t λ K λ L λ A: die Fläche (senkrecht zur Richtung der Strahlung) 43 44

12 Anhang 2. Spektrum h: Körpergrösse H: akrobatische Höhe, kollektive Höhe, Gesamthöhe 45 Spektrum als eine spezielle Häufigkeitsverteilung (absolute) Häufigkeitsverteilung der Körpergrösse h: Klassenbreite Fläche: n, Anzahl der Personen Spektrum (spektrale Verteilung): wie bekommen wir etwas aus der Teilen (Quanten) H: akrobatische Grösse, kollektive Grösse n h (1/10 cm) H h cm *1/10cm = 1 n: Anzahl der Daten Körpergrösse, h (cm) 10cm *16.5 = 165 cm Körpergrösse, h (cm) H cm 46 Emissionsspektrum: wie verteilt sich die gesamte emittierte Energie über die Photonenenergien charakteristische Grösse der Energietransport: Intensität (manchmal die Leistung) Benützung der Wellenlänge ist bequemer als die der Photonenenergie E ε E / ε J λ Photonenenergie, ε E 47 λ Anhang 3. Das Atom Wichtigere Stationen: Demokritos 4. Jh. v. Chr. (atomos: unzerlegbar ) Daltonsches Gesetz 19. Jh. (multiple Proportionen der Massenverhältnisse) moderne Strukturuntersuchungsmethoden Mikroskopie, Spektrometrie, Diffraktionsmethoden,... atomarer Aufbau der Materie Mikrowelt STM Aufnahme von der Oberfläche eines Silizium Kristalls 48

13 Das Atom Rutherford (1911): dichter, positiv geladener Stoff Radius 0,1 nm = m Masse kg relative Atommassen Bezugsatom: 12 C m u = 1/12 m12 C = u = Da α ++ α ++ dünner, negativ geladener Stoff Rutherford 1911 Bohr 1913 Atomaufbau Erwartung Beobachtung Erklärung Bohrsches Atommodell positiver Atomkern Radius m Masse kg die ganze Masse des Atoms negatives Elektron Radius m Masse kg Coulombsche elektrische Wechselwirkung: E Ww + F F - E Ww r q q F = k r q q k 1 = r E Ww 2 Was für Kräfte halten das Atom zusammen? 51 52

14 Bewegungen gegen den anziehenden Wechselwirkungen! Mikrowelt: diskrete Zustände! Gesamtenergie: E Ww E = E Ww + E kin E r Ekin = 1 mv 2 E Ww 2 E + E kin r E r Energieniveaus 0 freie Elektronen gebundene Elektronen + E kin E E Ww + E < 0 E E Ww + E > 0 = kin = kin gebundenes Elektron freies Elektron 53 Pauli-Prinzip (1925): Auf einem Niveau sitzen höchstens zwei Elektronen. 54 Aufbau des Atomkerns Ereignisse in dem Atom: Ionisation Anregung 0 angeregte Zustände Grundzustand einfache metastabile rel. Atommassen liegen in der Nähe von ganzen Zahlen Atomkern positives Proton neutrales Neutron (etwa gleiche Massen) Strahlungen Licht Röntgenstrahlung.. 55 Z. B. 12 C enthält 6 Protonen und 6 Neutronen Isotope Radioaktivität, Kernstrahlungen 56

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