Mikrowellen (Mikrowelle, Satelliten) Infrarot (Fernsteuerung beim TV)

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Sebastian Schenck
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1 TV 3km 300m 30m 3m 30cm Radiowellen (TV, Radio) 300cm 30cm 300µm 3µm 0.7µm 0.5µm 0.3µm 30nm 3mm 0.4µm Mikrowellen (Mikrowelle, Satelliten) Infrarot (Fernsteuerung beim TV) Sichtbares Licht UV-Strahlung (Hautkrebs, Astronomie) 3nm 0.3nm 0.03nm (Medizin)

2 TV 3km 300m 30m 3m 30cm Radiowellen (TV, Radio) 300cm 30cm 300µm 3µm 0.7µm 0.5µm 0.3µm 30nm 3mm 0.4µm Mikrowellen (Mikrowelle, Satelliten) Infrarot (Fernsteuerung beim TV) Sichtbares Licht UV-Strahlung (Hautkrebs, Astronomie) 3nm 0.3nm 0.03nm (Medizin)

3 Atommodell Atommodell - Ein Atom hat Z Elektronen, Z Protonen, N-Neutronen - Anzahl Protonen nennt man Ordnungszahl oder Kernladungszahl Beispiel: Wasserstoff: Z= 1 Helium: Z= 2 Masse des Atoms ist in seinem Kern konzentriert Kernradius: 1 fm = 10-6 nm = m Abstand Kern-Elektron: 0.1 nm bzw fm

4 Bohr sches Atommodell - physikalischen und chemischen Eigenschaften eines Atoms werden durch Anzahl und Anordnung der Elektronen bestimmt. - Jedes Elektron trägt die Ladung - e => - Ze - Jedes Proton trägt die Ladung + e => +Ze Atom ist elektrisch neutral Bohrsches Atommodell (1912) - Elektronen umrunden den Atomkern - Gesetze der klassischen Mechanik gelten F: Coulomb Kraft W: Coulomb-Energie ε: dielektrische Suszeptibilität r 0 : Abstand Elektron-Kern

5 Bohr sches Atommodell Unter Berücksichtigung der kinetischen Energie des Elektrons: Z: Anzahl Protonen ε: Dielektrizitätskonstante r 0 : Abstand Elektron-Kern Bohr sche Postulate: 1. Ein Elektron kann sich nur auf bestimmten kreisförmigen Umlaufbahnen bewegen 2. Die Frequenz der bei einem Übergang emittierten Strahlung ist: E A : Anfangsenergie Atom E B : Endenergie Atom ν = f = c/λ: Frequenz der emittierten Strahlung h: Planck sche Konstante

6 Bohr sches Atommodell mit Später: Quantenmechanik und => Erklärt wieso feste Umlaufbahnen existieren Z: Anzahl Protonen ε: Dielektrizitätskonstante r 1 : Bahnradius vor Übergang r 2 : Bahnradius nach Übergang Wellenlänge von Photonen, die durch Anregung von Valenzelektronen (äußeren Elektronen) erfolgt => Energiequantisierung folgt aus der Lösung der Schrödinger-Gleichung

7 Wilhelm Conrad Röntgen ( ) Nobel Prize für Physik In Anerkennung für die außerordentlichen Dienste durch die Entdeckung der bemerkenswerten Strahlen, die nach ihm benannt wurden. (dies war der erste Physiknobelpreis überhaupt)

8 Alfred Nobel: schwedischer Erfinder und Industrieller Testament: - Aus seinem Vermögen soll eine Stiftung gegründet werden. - Zinsen soll als Preis denen zugeteilt werden, die im verflossenen Jahr der Menschheit den größten Nutzen geleistet haben. Nobelpreise für (seit 1901, Vergabe: 10. Dezember) Physik Chemie Physiologie oder Medizin Literatur Friedensbemühungen seit 1969: Preis für Wirtschaftswissenschaften der schwedischen Reichsbank Alfred Nobel ( )

10 Hochvakuumröhre Röntgenröhre U A Röhrenspannung (>1 kv) U H - e - e - e - e- e - Anode + Heizspannung Glühkathode thermische Elektronenemission

11 U A U H - + e - e - e - e - Glühkathode e - Anode Elektronen werden beim Aufprall auf die Anode abgebremst Bremsstrahlung (Coulomb Wechselwirkung) E = hν Energie ist in Photonen abgepackt E = eu A Energie des Elektrons hν = eu A Duane-Hunt-Gesetz da ν = c λ hc λ = = eu A 1234 nm U A

12 Entstehung der K ß -Strahlung K α -Strahlung Elektronen dringen tief in die kernnahen Schalen ein Elektron (bei hinreichend hoher Energie) K L Elektron M-Schale viel höhere Energien als bei Anregung der Valenzelektronen (kev) K α - Strahlung: Elektronenlücke in der K-Schale wird durch ein Elektron aus der L-Schale aufgefüllt. K ß - Strahlung: Elektronenlücke in der K-Schale wird durch ein Elektron aus der M-Schale aufgefüllt.

13 Relative Intensität Kapitel 9 U H Entstehung der - e - + Anode e - e - e - e - U A & K ß -Strahlung K L K α -Strahlung Elektron M-Schale K ß K α Brems Strahlung- Vorhersage der Energien näherungsweise mit Bohr'schen Atommodell möglich Wellenlänge (nm)

14 K ß -Strahlung K α -Strahlung Elektron Empirisch gefundenes Gesetz zur Beschreibung von Röntgenspektren K L M-Schale 1 1 n 2 1 n 2 2 ΔE = h f R - ( ) f R : Rydberg-Frequenz (Wasserstoff) Moseley sche Gesetz 1 1 n 2 1 n 2 2 ( ) ΔE = h f R (Z-1) 2 - n 1 = 1: erste Schale

16 U A [kv] λ min [nm] weiche mittel hart 3nm 0.3nm 0.03nm - Strahlung im Wellenlängenbereich von 10 nm bis 10-3 nm - ionisiert Gas Gasionisation

17 Zusammengesetztes Röntgenbild eines gesunden Mannes von Erste Aufnahmen dieser Art gelangen bereits 1896.

18 Röntgenuntersuchung um 1910 Schweizer, Medizinische Physik und Technik

20 Eigenschaften von Röntgenstrahlen Röntgenstrahlen sind unsichtbar regen bestimmte Substanzen zum Leuchten an durchdringen Materie schwärzen lichtempfindliche Platten ( Photoplatten) ionisieren Gase

1 0.2 Wellenlänge (nm) Kernnahe Elektronen werden herausgeschlagen Vorhersage der

21 Relative Intensität Kapitel 9 U H Entstehung der - e - + Anode e - e - e - e - U A & K ß -Strahlung K L K α -Strahlung Elektron M-Schale K ß K α Brems Strahlung Wellenlänge (nm) Kernnahe Elektronen werden herausgeschlagen Vorhersage der Energien für kleine Atome näherungsweise mit Bohr'schen Atommodell möglich. c E h h

23 ( Kapitel 9 Röntgenstreuung λ Bragg-Peak α α α d Oft wird Kupfer als Anodenmaterial verwendet. Die Wellenlänge K -Strahlung ist:. 0.15nm Konstruktive Interferenz: x = n 2d sin(α) = n λ

24 Röntgenstreuung Heizspannung Detektor Kathode α λ Bragg-Peak Anode Blende Kristall Röntgenröhre α. α 2d sin(α) = n λ d Für Kristallstrukturanalyse (insbesondere zur Analyse von Proteinkristalle) Kleine : sin und n =1 => d = λ/(2 ) < 1 nm

25 I(0) siehe: Schwächungsgesetz d I(d) I(0) e d Beer Lambertsches Extinktionsgesetz (Kap. 8): I(0) S ln d I I(0) d e I d I I(0) e S: Schwächung : Extintionskoeffizient λ: Wellenlänge Z: Ordnungszahl ρ: Dichte I(d) I(0) e kd

Kapitel 8 Vergleich Optik: Extinktion Abschwächung der Strahlung bei Transmission durch ein Medium I(0) Extinktion setzt sich zusammen aus d I(d) Absorption des Lichts durch Moleküle / Atome des

26 Kapitel 8 Vergleich Optik: Extinktion Abschwächung der Strahlung bei Transmission durch ein Medium I(0) Extinktion setzt sich zusammen aus d I(d) Absorption des Lichts durch Moleküle / Atome des Mediums => Wärme (Richtungs- und Polarisationsabhängigkeit der Absorption) Streuung des Lichts an den Molekülen / Atomen des Mediums Reflexion an Grenzflächen/Oberflächen I: Lichtintensität (Strahlungsfluss) d: Schichtdicke I(d) I(0) e kd

27 Transmission (10 cm Wasser) Absorptionskoeffizient Kapitel 9 Schwächung der Photonenenergie [MeV] Photonenenergie [MeV] bester Kontrast bei kleinen Energien

28 Bildinformation verschlüsselt in Messdaten

29 Computer Tomographie: Bestimme Schwächungsprofile unter verschiedenen Winkeln und überlagere sie

31 Flächenstrahlgeometrie (x-y-ebene) Röntgenröhre Messfeld Mit Objekt Detektor (typisch 1000Kanäle)

32 Detektoren Röntgenquelle

33 Pro Detektorschicht und Umlauf werden etwa 1000 Projektionen zu je 1000 Kanälen akquiriert

34 Computer Tomographie Kalender WA et al. Radiology 1989, 173, page 414; and 1990, 176:

35 Schlaganfall CT einer Mangeldurchblutung (links, 85%) im späteren Stadium Hirnblutung (rechts)

36 Hounsfield-Skala (Grauwerteskala für CT Aufnahmen) Luft: Wasser: 0 Metall (z.b. Implantate): > 1000 Spongiöses Knochengewebe: Kompaktes Knochengewebe: > 1000

37 Organdosis: die in einem bestimmten Organ, Gewebe oder Körperteil durch ionisierende Strahlung aufgenommene Energiedosis multipliziert mit demstrahlungswichtungsfaktor (Röntgen =1) H T = D w Einheit: Sievert (Sv) H T : Organdosis D: Energiedosis w: Strahlenwichtungsfaktor Photonen: w = 1 Elektronen w = 1

https://www.thieme-connect.com/ejournals/pdf/roefo/doi/10.1055/s-2006-927366.

38 Kapitel 9 Untersuchung an der Uniklinik der Ruhr-Universität Bochum (ED)

39 CT: 100- bis 1000-fache Strahlendosis einer normalen Röntgenaufnahme 2009: ca 5 Millionen erhielten mindestens eine Computertomographie in Deutschland 2011: die geschätzten Jahresgesamtkosten für CT- und Magnetresonanztomographie-Untersuchungen ca 1,8 Milliarden Euro. Anzahl jährlicher CT-Todesfälle in den USA: Warnung (USA, New Journal of Medicine) CT- Aufnahmen sind in einigen Jahrzehnten für 1,5 2 % aller Krebserkrankungen verantwortlich

40 Mittlere effektive Dosis durch Röntgenuntersuchungen pro Einwohner und Jahr msv

41 Künstliche Strahlenbelastung Alltägliche Strahlenbelastung natürliche Strahlenbelastung Medizinische Anwendungen, 41.1% Sonstige innere Strahlung 8,0% Kosmische Strahlung 8,0% Einatmen von Radon 27,1% Folgen Tschernobyl 0.6% Kernkraftwerke 0.3% Atombombentests 0.3% Physik für Gymnasien, Cornelsen

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