Röntgenspektrum
Röntgen-Bremsstrahlung
In einer Röntgenröhre entstehen stets zwei unterschiedliche Röntgenstrahlungsarten. Die vom Material der Anode abhängige charakteristische Röntgenstrahlung und die Röntgenbremsstrahlung.
Zusammen bilden sie das Röntgenspektrum. Im heutigen Beitrag beschäftigen wir uns etwas näher mit der Röntgenbremsstrahlung.
Definition:
Bremsstrahlung ist die elektromagnetische Strahlung, die entsteht, wenn ein geladenes Teilchen, zum Beispiel ein Elektron, beschleunigt wird. Jede Geschwindigkeitsänderung eines geladenen Teilchens erzeugt Strahlung. Von Bremsstrahlung im engeren Sinne spricht man, wenn Teilchen in Materie gebremst werden. ...
Bild rechts: Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung durch Abbremsung eines schnellen Elektrons in dem Coulombfeld eines Atomkerns (schematische Darstellung)
Auftreten bzw. Anwendung der Bremsstrahlung
Bei Teilchenbeschleunigern (vor allem beim Synchrotron) und bei Speicherringen wird bei der Ablenkung von geladenen Teilchen durch ein Magnetfeld Bremsstrahlung frei, die in diesen Zusammenhängen Synchrotronstrahlung genannt wird.
Der Effekt der Bremsstrahlung wird in Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Dabei schießt man Elektronen mit einer kinetischen Energie ab 30 keV auf eine Metallplatte, die häufig aus Wolfram besteht. Ein kleiner Teil der beim Abbremsen frei werdenden Energie wird in Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum umgewandelt.
Eine interaktive Animationen von www.planet-schule.de/ zur Veranschaulichung der Bremsstrahlung:
Die beschleunigten Elektronen rasen auf die Anode zu.
Dort werden sie dramatisch abgebremst vom positiven Feld der Anoden-Atomkerne
Abbremsen heißt: Bewegungsenergie abgeben in Form von Strahlung.
Diese Strahlung ist die eine Art der Röntgenstrahlung.
Sie heißt Bremsstrahlung.
Spektralverteilung der Bremsstrahlung einer Röntgenröhre
Das Spektrum hat zu kurzen Wellenlängen hin eine der kinetischen Energie der Elektronen entsprechende Grenzwellenlänge, d. h. die gesamte kinetische Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Diese Grenzwellenlänge hängt also nur von der durchlaufenen Beschleunigungsspannung (Anodenspannung) ab, sie ist unabhängig vom Anodenmaterial. Die Form des Spektrums hängt von der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen und dem verwendeten Metall ab.
Die kürzeste mögliche Wellenlänge tritt auf, wenn die gesamte kinetische Energie des Elektrons in ein einziges Photon umgewandelt wird:
Sie beträgt:
- c - Lichtgeschwindigkeit
- h - Plancksches Wirkungsquantum
- e - Elementarladung, Elektronenladung
- U - Beschleunigungsspannung, Anodenspannung der Röntgenröhre
Durch Einsetzen der Naturkonstanten ergibt sich die zugeschnittene Größengleichung
An dieser Gleichung sieht man, dass die untere Grenzwellenlänge nur von der Beschleunigungsspannung abhängig ist.
Bei einer Beschleunigungsspannung von 25 kV beträgt sie 0,05 nm. Diese Strahlung vermag bereits normales Glas und dünne Aluminiumplatten zu durchdringen. Daher müssen bei Farb-Bildröhren, die mit Beschleunigungsspannungen von 25 bis 27 kV (Schwarzweiß-Bildröhre: ca. 18 kV) arbeiten, Maßnahmen zum Strahlenschutz getroffen werden. Man verwendet daher Bleioxid-haltiges Glas für den Kolben.
Die kontinuierliche Intensitätsverteilung der Bremsstrahlung, wenn Elektronen in ein Material eintreten, folgt der Kramerschen Regel:
- J - Intensitätsfunktion, in Photonen pro Sekunde
- K - die so genannte Kramersche Konstante
- I - Elektronenstrom
- Z - Ordnungszahl der Atome des Materials
Bei realen Spektren von Röntgenemissionen wird die entstehende Bremsstrahlung durch verschiedene Effekte überlagert. Hinzu kommt insbesondere die charakteristische Strahlung, die ein Emissionsspektrum der Atome des Materials darstellt, sowie dessen Absorptionsbanden, da die Bremsstrahlung unter der Materialoberfläche entsteht.
Weiterlesen: - Die charakteristische Röntgenstrahlung
Quellen:
- Die obige Beschreibung sowie die Bilder stammen aus dem Wikipedia-Artikel "Bremsstrahlung", lizenziert gemäß CC-BY-SA. Eine vollständige Liste der Autoren befindet sich hier.
- www.planet-schule.de/
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