Entstehung der Röntgenstrahlung im Unterschied zur Entstehung der Gammastrahlung

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1 Entstehung der Röntgenstrahlung im Unterschied zur Entstehung der Gammastrahlung 1. Entdeckungsgeschichte 1.1. Der Entdecker Wilhelm Conrad Röntgen 1.2. Wie entdeckte Röntgen die X-Strahlung 2. Erste Reaktionen in Gesellschaft und Medizin 3. Erzeugung der Röntgenstrahlung 3.1. Die Charakteristische Strahlung 3.2. Die Bremsstrahlung 4. Eigenschaften der Röntgenstrahlen 5. Anwendungen der Röntgenstarhlen 6. Röntgenstrahlen im elektromagnetischen Wellenspektrum 7. Röntgenstrahlung im Vergleich zur Gammastrahlung Entstehung der Röntgenstrahlung im Unterschied zur Entstehung der Gammastrahlung file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (1 of 6) :42:10

2 1. Entdeckungsgeschichte 1.1. Der Entdecker Wilhelm Conrad Röntgen Die Röntgenstrahlen wurden nach ihrem Entdecker Wilhelm Conrad Röntgen benannt, der einer der größten Physiker war, den es je gab. Wilhelm Conrad Röntgen wurde am im Rheinland geboren. Dann zog er mit seiner Familie nach Apeldoorn in den Niederlanden, wo er seine Kindheit bzw. Jugend verbrachte. Nach der Schule begann er 1865 an der Technischen Hochschule in Zürich sein Studium und wurde 1869 Doktor für Physik. Dann ging er nach Straßburg und bekam dort den Titel Professor für theoretische Physik verliehen. Von arbeitete er an der Universität in Gießen und ging dann, im Herbst 1888 nach Würzburg. Dort wurde er erst Leiter des Physikalischen Institutes und später Rektor der gesamten Universität Wie entdeckte Röntgen die X-Strahlung Röntgen arbeitete eigentlich an dem Transport elektrischer Ladungen in Gasen. Dafür wurden so genannte Entladungsröhren, in welchem ein Vakuum herrschte, benutzt. Die Kathode bestand aus einem heißen Glühdraht, welcher Elektronen produzierte. Zwischen Kathode und Anode wird eine sehr hohe Spannung angelegt, welche die Elektronen stark beschleunigt. Dazu muss man wissen, dass man damals in der Physik die Elektronen noch nicht kannte. Alles, was man sah, war, dass zwischen den beiden Elektroden ein schmaler Streifen glühte. Es war nicht klar, ob dies Teilchen oder Wellen waren. Man nannte diese Art von Strahlung Kathodenstrahlen. Röntgen, der eigentlich auf einem ganz anderen Gebiet arbeitete, wollte die gemachten Experimente selber noch mal durchführen. Vielleicht wunderte es ihn, dass sich Fotoplatten neben der Entladungsröhre leicht schwärzten und er untersuchte dies. Man führte damals die Schwärzung auf UV- Licht zurück - aber Röntgen glaubte wohl nicht an diese Vorstellung. Es gibt sonst nämlich auch keinen offensichtlichen Grund, weshalb Röntgen den folgenden, entscheidenden Versuch gemacht haben sollte. Also nahm er am 8. November 1895 eine einfache Änderung am bekannten Versuchsaufbau vor. Er benutzte immer noch die gleiche Röhre, die er mit einer Vakuumpumpe so luftleer wie damals möglich machte. Die Spannung, die zur Beschleunigung der Elektronen benötigt wurde, erzeugte er mit einem Funkeninduktor. Er bedeckte die Röhre nun aber völlig mit schwarzer Pappe, so dass weder normales noch UV-Licht durchkommen konnte. Als plötzlich der Schirm aus fluoreszierendem Material aufleuchtete, war Röntgen sofort klar, dass es file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (2 of 6) :42:10

3 eine neue Art von unsichtbaren Strahlen gab, die durch Materie bzw. Stoffe durchging. Dadurch, dass er die Röhre mit schwarzer Pappe abgedeckt hatte, konnte normales, für das menschliche Auge sichtbares, Licht nicht hinaus dringen. Da nun trotzdem ein Schirm im Raum aufblitzte vermutete Röntgen, dass es eine unsichtbare Art von Strahlen geben musste. Er nannte sie X-Strahlen. Später sind die Röntgenstrahlen zu ehren seines Entdeckers benannt worden waren. 2. Erste Reaktionen in Gesellschaft und Medizin Damals wusste man noch nichts von der Schädlichkeit der Röntgenstrahlen oder wollte die Gefahr in der Begeisterung über die Strahlen einfach nicht wahrhaben. Sowohl in der Medizin als auch in der Gesellschaft wurden die neuen Strahlen wieder und wieder ausprobiert. In der Medizin war man völlig aus dem Häuschen, da man endlich in das innere des Menschen hineinschauen konnte, was besonders in der Chirurgie ganz neue Möglichkeiten bot. Natürlich wurde dies auch zu Genüge getan, und so kam es auch, dass viele Mediziner und Forscher durch ihre Arbeit mit den Röntgenstrahlen erkrankten oder sogar starben. Erst jetzt lernte man die Schädlichkeit der Strahlung kennen und begann sich zu schützen. Selbst in der Gesellschaft, die sich sonst nicht viel um physikalische Erfindungen kümmerte, war jeder verrückt danach mehr über die Röntgenstrahlen zu erfahren. Von der Tatsache, dass man das Innere des eigenen Körpers sehen konnte, waren die Menschen damals total begeistert. Es ging so weit, dass jede Kleinigkeit zum Vergnügen geröntgt wurde. Und die Röntgenstrahlen wurden plötzlich zum Bestandteil der Öffentlichkeit. Sogar auf Partys wurden Röntgenapparate aufgestellt, sozusagen als Attraktion für die Gäste. Dann wurden den ganzen Abend Bilder von den eigenen Füßen oder Händen gemacht, die von den amüsierten Gästen ausgiebig bestaunt wurden. Außerdem wurden zum Beispiel in Schuhgeschäften Röntgengeräte benutzt, um die Position der Füße in den neuen Schuhen anzuschauen und dann zu entscheiden ob sie die richtige Größe und Form haben. 3. Erzeugung der Röntgenstrahlung Röntgenstrahlen werden generell immer dann erzeugt, wenn Elektronen bzw. ein Kathodenstrahl auf Material trifft, wo es abgebremst wird. Zwischen Glühkathode und Anode wird eine Hochspannung von 30 bis 120 kv angelegt. Hierdurch lösen sich Elektronen aus der Kathode, werden beschleunigt und prallen auf die Anode auf. Die Elektronen reagieren mit dem Anodenmaterial. Hierbei wird die kinetische Energie zum allergrößten Teil (99 % ) in Wärme umgewandelt. Die entstehende Wärme hat keinen Nutzen. Lediglich 1 % der Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Hierbei unterscheidet man zwei Formen der Wechselwirkung des Elektrons mit dem Anodenmaterial, wodurch zum einen die so genannte "Bremsstrahlung", zum anderen die so genannte "Charakteristische Eigenstrahlung" entsteht. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (3 of 6) :42:10

4 3.1. Die Charakteristische Strahlung Die Erzeugung charakteristischer Röntgenstrahlung beginnt damit, dass Elektronen, die auf ein Material geschossen werden, Elektronen aus den Bahnen der Atome herausschießen. Wenn nun ein Elektron aus seiner Bahn herausgeschossen worden ist, hinterlässt es dort ein Loch. Dieses wird nun dadurch gefüllt, dass ein Elektron aus einer äußeren Schale in das Loch hineinspringt. Dabei wird Energie frei, welche sich in Form von Licht, nämlich Röntgenlicht, äußert. Dieses Licht, das immer dann auftritt, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere Bahn springt, wird charakteristische Röntgenstrahlung genannt. Wichtig ist bei dem ganzen eben beschriebenen Vorgang, dass die heranfliegenden Elektronen nur Elektronen mit gleicher oder niedrigerer Energie herausschießen können. Auch ist das Licht, das beim Nachfüllen eines Elektrons der inneren Schale erzeugt wird, energiereicher als wenn ein Loch auf einer der äußeren Schalen gefüllt wird. Es gibt also immer anderes Licht (in der Wellenlänge verschieden), abhängig davon, aus welcher Schale ein Elektron rausflog und aus welcher Schale das nachfüllende kam. Anhand dieser Strahlung kann der Physiker auf das Material zurückschließen, auf welches geschossen wurde. Das liegt daran, dass jeder Stoff anders angeordnete Schalen bzw. Energieniveaus hat und damit ein für ihn typisches Spektrum charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist Die Bremsstrahlung Sie entsteht, wenn in einem luftleeren Raum (Vakuum) Elektronen freigesetzt werden. Diese Elektronen bzw. der Katodenstrahlwerden stark beschleunigt und dann abgebremst. Dies geschieht in der Röntgenröhre. Zur Freisetzung der Elektronen wird der aus Wolfram bestehende Heizfaden (Beständigkeit bis 3500 Grad) der Kathode zur Weißglut gebracht. Bei etwa 2000 Grad treten die Elektronen aus. Ihre Beschleunigung erfolgt an der Kathode durch die sehr hohe Spannung zwischen Anode und Kathode von etwa bis Volt. Die Abbremsung der Elektronen erfolgt beim Aufprall auf die Anode bzw. beim Zusammenstoß mit einem Metallblock. Hierbei entsteht die Bremsstrahlung, indem die abgebremsten Elektronen andere Elektronen aus den Schalen der Metallatomen herausschlagen. 4. Eigenschaften der Röntgenstrahlen Die wichtigsten Eigenschaften der Röntgenstrahlen sind: Schwächungseffekt Röntgenstrahlen sind in der Lage, Materie zu durchdringen. Sie werden hierbei geschwächt. Die Schwächung der Röntgenstrahlen ist der wichtigste Faktor bei der Bilderzeugung. Photographischer Effekt Röntgenstrahlen können ebenso wie Licht photographische Filme schwärzen (durch diesen Effekt wurden sie entdeckt). Lumineszenzeffekt Röntgenstrahlen regen bestimmte Stoffe zur Lichtemission an ("Fluoreszenz"). Photographischer Effekt file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (4 of 6) :42:10

5 und Lumineszenzeffekt bewirken zusammen die Filmschwärzung. Ionisationseffekt Röntgenstrahlen sind in der Lage, Gase zu ionisieren. Dieser Effekt wird z.b. in der Dosismessung ausgenutzt. 5. Anwendungen der Röntgenstarhlen In der Forschung, Technik und Medizin gibt es für Röntgenstrahlen viele Anwendungsmöglichkeiten. So nutzt man Röntgenstrahlen beispielsweise zur zerstörungsfreien Untersuchung von Werkstoffen. Nahezu jedes Element liefert bei der Bestrahlung mit Röntgenstrahlen ein charakteristisches Spektrum (siehe oben charakteristische Strahlung). Auf diesem Phänomen beruhend sind eine ganze Reihe von spektroskopischer Untersuchungsmethoden sowie Geräte entwickelt worden, wie z.b. die Röntgenemissions-, Röntgenabsorptions- und Röntgenfluoreszenzspektroskopie. Die Röntgendiagnostik ist in der heutigen Medizin zu einer alltäglichen Untersuchungsmethode geworden. Bekannt sind hier die Durchleuchtung, die Röntgenphotographie und die Computertomographie. Röntgenstrahlen, ebenso wie Gammastrahlen, setzt man außerdem in der Strahlentherapie zur Bekämpfung von Krebs ein. 6. Röntgenstrahlen im elektromagnetischen Wellenspektrum Zu den elektromagnetischen Wellen gehören z.b. Röntgenstrahlen ebenso wie Gammastrahlen und sichtbares Licht. Elektromagnetische Wellen unterscheiden sich durch ihre Frequenz und ihre Wellenlängen und damit durch ihre Energie. Kurzwellige Strahlen besitzen eine hohe Frequenz und sind energiereich, langwellige Strahlen haben eine niedrige Frequenz und sind energiearm. Während das sichtbare Licht Wellenlängen von nm aufweist, sind Röntgenstrahlen und Gammastrahlen wesentlich kurzwelliger (10-14 und 10-8 nm) und damit energiereicher. Röntgenphotonen haben eine Energie von etwa 100 ev bis 250 kev. Das entspricht einer Frequenz von etwa Hz bis Hz. Im oberen Bereich grenzt die Röntgenstrahlung an die kurzwellige ultraviolette Strahlung und im unteren Bereich an die Gammastrahlung an. Es wird noch einmal unterschieden zwischen überweiche, weiche, mittelharte, harte sowie überharte Röntgenstrahlen. Die weichen Strahlen haben die kleinste Energie und niedrigste Frequenz und die größte Wellenlänge, bishin zu harten Strahlen, welche dementsprechend die größte Energie und höchste Frequenz und die kleinste Wellenlänge besitzen. 7. Röntgenstrahlung im Vergleich zur Gammastrahlung Röntgen- und Gammastrahlung unterscheiden sich zwar in ihrer Entstehung, jedoch nicht in ihren Eigenschaften. Sie sind beide im elektromagnetischen Spektrum vorhanden, nur mit unterschiedlicher Wellenlänge, Frequenz und somit auch Energie. Was daraus resultiert ist, dass die Fähigkeit Materie zu durchdringen bei der Gammastrahlung weitaus höher ist als bei der Röntgenstrahlung. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (5 of 6) :42:10

6 Röntgenstrahlung entsteht bei der Abbremsung schneller Elektronen durch Materie im Bereich der Atomhülle (Bremsstrahlung). Im Gegensatz dazu entsteht Gammastrahlung bei Kernumwandlungsprozessen im Rahmen eines radioaktiven Zerfalls. Sie entstehen bei radioaktiven Zerfallprozessen und anderen Kernreaktionen. Als Gammaquanten bezeichnet man die Energiequanten der Gammastrahlen. Die teilchenhafte Struktur dieser Strahlen macht sich darin bemerkbar, dass Gammaquanten genauso wie Teilchen als Geschosse zur Erzeugung von Kernreaktionen dienen können. Allerdings wird die Gammastrahlung ebenfalls wie die Röntgenstrahlung in der Medizin zur Krebstherapie eingesetzt. Natürliche radioaktive Stoffe senden Gammaquanten mit Energie bis zu 4,9 MeV aus; bei künstlichen Kernumwandlungen können Gammaquanten mit mehr als 17 MeV erzeugt werden. file:///c /Dokumente%20und%20Einstellungen/Michael/Desktop/27_04_05/EntstehungderRöntgenstrahlung.html (6 of 6) :42:10