Was ist Röntgen – Röntgenstrahlung – Definition

Unter Röntgenstrahlung , auch Röntgenstrahlung genannt , versteht man elektromagnetische Strahlung (keine Ruhemasse, keine Ladung) hoher Energien. Röntgenstrahlen sind energiereiche Photonen mit kurzen Wellenlängen und damit sehr hoher Frequenz. Die Strahlungsfrequenz ist der Schlüsselparameter aller Photonen, da sie die Energie eines Photons bestimmt. Photonen werden nach den Energien von energiearmen Radiowellen und Infrarotstrahlung über sichtbares Licht bis hin zu energiereichen Röntgen- und Gammastrahlen kategorisiert .

Die meisten Röntgenstrahlen haben eine Wellenlänge im Bereich von 0,01 bis 10 Nanometer (3 × 10 ¹⁶ Hz bis 3 × 10 ¹⁹ Hz), was Energien im Bereich von 100 eV bis 100 keV entspricht. Röntgenwellenlängen sind kürzer als die von UV-Strahlen und typischerweise länger als die von Gammastrahlen. Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .

Da die Röntgenstrahlen (insbesondere harte Röntgenstrahlen) im Wesentlichen energiereiche Photonen sind, sind sie sehr durchdringende Materie und daher biologisch gefährlich. Röntgenstrahlen können Tausende von Fuß in der Luft wandern und leicht durch den menschlichen Körper gelangen.

Entdeckung von Röntgenstrahlen – Wilhelm Conrad Röntgen

Röntgenstrahlen wurden am 8. November 1895 von dem deutschen Physikprofessor Wilhelm Conrad Röntgen entdecktan der Universität Würtzburg in Deutschland. Er untersuchte elektrische Entladungen in Glasröhren, die mit verschiedenen Gasen bei sehr niedrigem Druck gefüllt waren. In diesen Experimenten hatte Röntgen die Röhre mit etwas schwarzem Papier bedeckt und den Raum abgedunkelt. Dann entdeckte er, dass ein mit einem fluoreszierenden Farbstoff bemaltes Stück Papier in einiger Entfernung von der Röhre glühen würde, wenn er die Hochspannung zwischen den Elektroden in der Röhre einschaltete. Er bemerkte, dass er ein zuvor unbekanntes „unsichtbares Licht“ oder einen Strahl erzeugt hatte, der aus der Röhre ausgestrahlt wurde, und einen Strahl, der in der Lage war, das schwere Papier, das die Röhre bedeckte, zu durchdringen. Röntgen bezeichnete die Strahlung als „X“, um anzuzeigen, dass es sich um eine unbekannte Art von Strahlung handelte.

Röntgen erkannte die Bedeutung seiner Entdeckung und konzentrierte sich ganz auf die Untersuchung dieser neuen Strahlung, die die ungewöhnliche Eigenschaft hatte, durch schwarzes Papier hindurchzugehen. Durch zusätzliche Experimente fand er auch heraus, dass der neue Strahl die meisten Substanzen durchdringen würde, die Schatten von festen Objekten wie Holzklötzen, Büchern und sogar seiner Hand werfen. Er fand heraus, dass sich Röntgenstrahlen in geraden Linien ausbreiten, von denen sie weder durch elektrische noch durch magnetische Felder abgelenkt werden. Das erste Röntgenbild war ein Bild der Hand seiner Frau auf einer durch Röntgenstrahlen entstandenen Fotoplatte. Seine Entdeckung breitete sich schnell auf der ganzen Welt aus und Wilhelm Conrad Röntgen erhielt für seine Entdeckung den ersten Nobelpreis für Physik.

Eigenschaften von Röntgenstrahlen

Die Hauptmerkmale von Röntgenstrahlen sind in folgenden Punkten zusammengefasst:

• Röntgenstrahlen sind hochenergetische Photonen (etwa 100- bis 1000-mal so viel Energie wie die sichtbaren Photonen), die gleichen Photonen wie die Photonen, die den sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums bilden – Licht.
• Röntgenstrahlen werden üblicherweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Sie kann von etwa 20 kV bis 300 kV reichen. Strahlung mit niedriger Spannung wird als “ weich “ bezeichnet – und Strahlung mit hoher Spannung wird als “ hart “ bezeichnet.
• Photonen (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) können Atome durch den photoelektrischen Effekt und den Compton-Effekt direkt (obwohl sie elektrisch neutral sind) ionisieren, aber die sekundäre (indirekte) Ionisation ist viel bedeutender.
• Röntgenstrahlen ionisieren Materie durch indirekte Ionisation .
• Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie.
  • Photoelektrischer Effekt
  • Compton-Streuung
  • Rayleigh-Streuung
• Röntgenstrahlen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit und können Hunderte von Metern in der Luft zurücklegen, bevor sie ihre Energie verbrauchen.
• Da die harten Röntgenstrahlen sehr durchdringende Materie sind, muss sie durch sehr dichte Materialien wie Blei oder Uran abgeschirmt werden.
• Die Unterscheidung zwischen Röntgen- und Gammastrahlen ist nicht so einfach und hat sich in den letzten Jahrzehnten geändert. Nach der derzeit gültigen Definition werden Röntgenstrahlen von Elektronen außerhalb des Kerns emittiert , während Gammastrahlen vom Kern emittiert werden .
• Für Röntgenstrahlen, die mit einer Röntgenröhre erzeugt werden, gibt es zwei verschiedene Arten von Röntgenspektren:
  • Bremsstrahlung
  • Charakteristische Röntgenstrahlen
• Charakteristische Röntgenstrahlen begleiten häufig einige Arten von nuklearen Zerfällen, wie z. B. interne Umwandlung und Elektroneneinfang .

Röntgen – Produktion

Da Röntgenstrahlen hochenergetische Photonen sind , die elektromagnetischer Natur sind , können sie immer dann erzeugt werden, wenn geladene Teilchen (Elektronen oder Ionen) mit ausreichender Energie auf ein Material treffen. Es ähnelt dem photoelektrischen Effekt , bei dem Photonen vernichtet werden können, wenn sie auf die Metallplatte treffen, wobei jedes seine kinetische Energie an ein Elektron abgibt .

Röntgenstrahlen können durch eine Röntgenröhre erzeugt werden , eine Vakuumröhre, die eine hohe Spannung verwendet, um die von einer heißen Kathode freigesetzten Elektronen auf eine hohe Geschwindigkeit zu beschleunigen. Die Kathode muss erwärmt werden, um Elektronen zu emittieren. Elektronen, die durch Potentialdifferenzen von Zehntausenden von Volt beschleunigt werden, zielen auf ein Metalltarget (normalerweise aus Wolfram oder einem anderen Schwermetall) in einer Vakuumröhre. Je größer die Spannung zwischen den Elektroden ist, desto mehr Energie erreichen die Elektronen. Beim Auftreffen auf das Ziel werden die beschleunigten Elektronen abrupt gestoppt und Röntgenstrahlen abgegebenund Wärme werden erzeugt. Der größte Teil der Energie wird in der Anode in Wärme umgewandelt (die gekühlt werden muss). Nur 1% der kinetischen Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlen umgewandelt. Röntgenstrahlen werden normalerweise senkrecht zum Weg des Elektronenstrahls erzeugt.

Eine spezielle Röntgenquelle, die in der Forschung immer häufiger eingesetzt wird, ist der Teilchenbeschleuniger, der als Synchrotronstrahlung bekannte Strahlung erzeugt . Wenn sich ultra-relativistisch geladene Teilchen durch Magnetfelder bewegen, müssen sie sich auf einem gekrümmten Pfad bewegen. Da sich ihre Bewegungsrichtung ständig ändert, beschleunigen sie auch und emittieren so Bremsstrahlung, in diesem Fall wird sie als Synchrotronstrahlung bezeichnet .

Röntgenstrahlen können auch von schnellen Protonen oder anderen positiven Ionen erzeugt werden. Die protoneninduzierte Röntgenemission oder partikelinduzierte Röntgenemission wird häufig als Analyseverfahren verwendet.

Weiche und harte Röntgenstrahlen

Röntgenstrahlen werden normalerweise durch ihre maximale Energie beschrieben, die durch die Spannung zwischen den Elektroden bestimmt wird. Röntgenstrahlen mit hohen Photonenenergien (über 5–10 keV) werden als harte Röntgenstrahlen bezeichnet , während solche mit niedrigerer Energie (und längerer Wellenlänge) als weiche Röntgenstrahlen bezeichnet werden . Aufgrund ihrer Durchdringungsfähigkeit werden häufig harte Röntgenstrahlen verwendet, um das Innere von visuell undurchsichtigen Objekten abzubilden. Die am häufigsten gesehenen Anwendungen sind in der medizinischen Radiographie. Da die Wellenlängen harter Röntgenstrahlen der Größe von Atomen ähnlich sind, eignen sie sich auch zur Bestimmung von Kristallstrukturen durch Röntgenkristallographie. Im Gegensatz dazu werden weiche Röntgenstrahlen leicht von Luft absorbiert. Die Dämpfungslänge von 600 eV Röntgenstrahlen in Wasser beträgt weniger als 1 Mikrometer.

Röntgenspektrum – charakteristisch und kontinuierlich

Bei Röntgenstrahlen, die von einer Röntgenröhre erzeugt werden, variiert der Teil der Energie, der in Strahlung umgewandelt wird, von Null bis zur maximalen Energie des Elektrons, wenn es auf die Anode trifft. Die maximale Energie des erzeugten Röntgenphotons wird durch die Energie des einfallenden Elektrons begrenzt, die gleich der Spannung an der Röhre mal der Elektronenladung ist, sodass eine 100-kV-Röhre keine Röntgenstrahlen mit einer Energie von mehr als 100 erzeugen kann keV. Wenn die Elektronen auf das Ziel treffen, werden Röntgenstrahlen durch zwei verschiedene atomare Prozesse erzeugt:

• Bremsstrahlung . Die Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch die Beschleunigung oder Verzögerung eines Elektrons erzeugt wird, wenn es durch starke elektromagnetische Felder von Zielkernen mit hohem Z (Protonenzahl) abgelenkt wird . Der Name Bremsstrahlung stammt aus dem Deutschen. Die wörtliche Übersetzung lautet „Bremsstrahlung“ . Nach der klassischen Theorie muss ein geladenes Teilchen, wenn es beschleunigt oder abgebremst wird, Energie ausstrahlen. Die Bremsstrahlung ist eine der möglichen Wechselwirkungen von lichtgeladenen Teilchen mit Materie (insbesondere mit hohen Atomzahlen)). Diese Röntgenstrahlen haben ein kontinuierliches Spektrum. Die Intensität der Röntgenstrahlen steigt linear mit abnehmender Frequenz von Null bei der Energie der einfallenden Elektronen, der Spannung an der Röntgenröhre. Das Ändern des Materials, aus dem das Target in der Röhre besteht, hat keinen Einfluss auf das Spektrum dieser kontinuierlichen Strahlung. Wenn wir beispielsweise von einem Molybdän-Target zu einem Kupfer-Target wechseln würden, würden sich alle Merkmale des Röntgenspektrums mit Ausnahme der Grenzwellenlänge ändern.
• Charakteristische Röntgenemission. Wenn das Elektron genug Energie hat, kann es ein Orbitalelektron aus der inneren Elektronenhülle eines Metallatoms schlagen. Da der Prozess eine Lücke in dem Elektronenenergieniveau hinterlässt, aus dem das Elektron stammt, kaskadieren die äußeren Elektronen des Atoms nach unten , um die unteren Atomebenen zu füllen, und normalerweise werden eine oder mehrere charakteristische Röntgenstrahlen emittiert. Infolgedessen erscheinen scharfe Intensitätsspitzen im Spektrum bei Wellenlängen, die für das Material charakteristisch sind, aus dem das Anodentarget hergestellt ist. Die Frequenzen der charakteristischen Röntgenstrahlen können aus dem Bohr-Modell vorhergesagt werden.

Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Obwohl eine große Anzahl möglicher Wechselwirkungen bekannt ist, gibt es drei wichtige Wechselwirkungsmechanismen mit Materie. Die Stärke dieser Wechselwirkungen hängt von der Energie der Röntgenstrahlen und der Elementzusammensetzung des Materials ab, jedoch nicht wesentlich von den chemischen Eigenschaften, da die Röntgenphotonenenergie viel höher ist als die chemischen Bindungsenergien. Die photoelektrische Absorption dominiert bei niedrigen Energien von Röntgenstrahlen, während die Compton-Streuung bei höheren Energien dominiert.

• Photoelektrische Absorption
• Compton-Streuung
• Rayleigh-Streuung

Photoelektrische Absorption von Röntgenstrahlen

Beim photoelektrischen Effekt unterliegt ein Photon einer Wechselwirkung mit einem Elektron, das in einem Atom gebunden ist. Bei dieser Wechselwirkung verschwindet das einfallende Photon vollständig und ein energetisches Photoelektron wird vom Atom aus einer seiner gebundenen Schalen ausgestoßen . Die kinetische Energie des ausgestoßenen Photoelektron (E _e ) ist gleich der einfallenden Photonenenergie (hν) abzüglich der Bindungsenergie des Photoelektron in seiner ursprünglichen Hülle (E _b ).

E _e = hν-E _b

Daher werden Photoelektronen nur dann durch den photoelektrischen Effekt emittiert, wenn das Photon eine Schwellenenergie – die Bindungsenergie des Elektrons – die Austrittsarbeit des Materials erreicht oder überschreitet . Bei sehr hohen Röntgenstrahlen mit Energien von mehr als Hunderten keV trägt das Photoelektron den größten Teil der einfallenden Photonenenergie ab – hν.

Bei kleinen Werten der Gammastrahlenenergie dominiert der photoelektrische Effekt . Der Mechanismus wird auch für Materialien mit hoher Ordnungszahl Z verbessert. Es ist nicht einfach, einen analytischen Ausdruck für die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Gammastrahlen pro Atom über alle Bereiche von Gammastrahlenenergien abzuleiten. Die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption pro Masseneinheit ist ungefähr proportional zu:

τ _{(photoelektrisch)} = Konstante x Z ^N / E ^3.5

wobei Z die Ordnungszahl ist, variiert der Exponent n zwischen 4 und 5. E ist die Energie des einfallenden Photons. Die Proportionalität zu höheren Potenzen der Ordnungszahl Z ist der Hauptgrund für die Verwendung von Materialien mit hohem Z wie Blei oder abgereichertem Uran in Gammastrahlenschilden.

Obwohl die Wahrscheinlichkeit der photoelektrischen Absorption von Photonen im Allgemeinen mit zunehmender Photonenenergie abnimmt, gibt es scharfe Diskontinuitäten in der Querschnittskurve. Diese werden als „Absoptionskanten“ bezeichnet.und sie entsprechen den Bindungsenergien von Elektronen aus den gebundenen Schalen des Atoms. Für Photonen mit einer Energie knapp über dem Rand reicht die Photonenenergie gerade aus, um die photoelektrische Wechselwirkung mit Elektronen aus der gebundenen Schale, beispielsweise der K-Schale, einzugehen. Die Wahrscheinlichkeit einer solchen Wechselwirkung ist knapp über dieser Kante viel größer als die von Energiephotonen etwas unterhalb dieser Kante. Für Photonen unterhalb dieser Kante ist die Wechselwirkung mit Elektronen aus der K-Schale energetisch unmöglich und daher fällt die Wahrscheinlichkeit abrupt ab. Diese Kanten treten auch bei Bindungsenergien von Elektronen aus anderen Schalen (L, M, N… ..) auf.

Compton-Streuung von Röntgenstrahlen

Die Compton-Formel wurde 1923 in der Physical Review veröffentlicht. Compton erklärte , dass die X-ray Verschiebung von partikelartigen verursacht Impulse von Photonen . Die Compton-Streuungsformel ist die mathematische Beziehung zwischen der Verschiebung der Wellenlänge und dem Streuwinkel der Röntgenstrahlen. Bei der Compton-Streuung  kollidiert das Photon der Frequenz  f mit einem ruhenden Elektron. Bei einer Kollision prallt das Photon vom Elektron ab und gibt einen Teil seiner Anfangsenergie ab (gegeben durch die Plancksche Formel E = hf). Während das Elektron an Impuls gewinnt (Masse x Geschwindigkeit), kann das  Photon seine Geschwindigkeit nicht senken. Aufgrund des Impulserhaltungsgesetzes muss das Photon seinen Impuls senken, der gegeben ist durch:

Die Abnahme des Photonenimpulses muss also in eine  Abnahme der Frequenz  (Zunahme der Wellenlänge Δλ = λ ‚- λ ) übersetzt werden. Die Verschiebung der Wellenlänge nahm mit dem Streuwinkel gemäß  der Compton-Formel zu :

wobei λ  die anfängliche Wellenlänge des Photons ist, λ ‚  die Wellenlänge nach der Streuung ist, h  die Planck-Konstante = 6,626 × 10 ^–34  Js ist, m _e  die Elektronenruhmasse (0,511 MeV) ist c  die Lichtgeschwindigkeit ist Θ  die Streuung ist Winkel. Die minimale Änderung der Wellenlänge ( λ ‚  –  λ ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 0 ° (cos (Θ) = 1) und mindestens Null ist. Die maximale Änderung der Wellenlänge ( λ ′  –  λ) für das Photon tritt auf, wenn Θ = 180 ° (cos (Θ) = – 1). In diesem Fall überträgt das Photon so viel Impuls wie möglich auf das Elektron. Die maximale Änderung der Wellenlänge kann aus der Compton-Formel abgeleitet werden:

Die Größe h / m _e c ist als  Compton-Wellenlänge  des Elektrons bekannt und beträgt  2,43 × 10 ^–12 m . 

Rayleigh-Streuung – Thomson-Streuung

Rayleigh-Streuung , auch als Thomson-Streuung bekannt, ist die energiearme Grenze der Compton-Streuung. Die kinetische Energie der Teilchen und die Photonenfrequenz ändern sich infolge der Streuung nicht. Rayleigh-Streuung tritt als Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen einem einfallenden Photon und einem Elektron auf, dessen Bindungsenergie signifikant größer ist als die des einfallenden Photons. Es wird angenommen, dass die einfallende Strahlung das Elektron in eine erzwungene Resonanzschwingung versetzt, so dass das Elektron Strahlung mit derselben Frequenz, jedoch in alle Richtungen, wieder emittiert. In diesem Fall beschleunigt das elektrische Feld der einfallenden Welle (Photon) das geladene Teilchen, wodurch es wiederum Strahlung mit der gleichen Frequenz wie die einfallende Welle emittiert und somit die Welle gestreut wird. Die Rayleigh-Streuung ist bis zu ≈ 20 keV signifikant und wie die Thomson-Streuung elastisch. Der Gesamtstreuquerschnitt wird zu einer Kombination der Rayleigh- und Compton-gebundenen Streuquerschnitte. Thomson-Streuung ist ein wichtiges Phänomen in der Plasmaphysik und wurde zuerst vom Physiker JJ Thomson erklärt. Diese Wechselwirkung hat im Bereich der Röntgenkristallographie eine große Bedeutung.

Röntgenschwächung

Wenn die hochenergetischen Photonen Material passieren, nimmt ihre Energie ab. Dies wird als Dämpfung bezeichnet . Die Dämpfungstheorie gilt auch für Röntgen- und Gammastrahlen . Es stellt sich heraus, dass Photonen mit höherer Energie (harte Röntgenstrahlen) leichter durch Gewebe wandern als Photonen mit niedriger Energie (dh Photonen mit höherer Energie interagieren weniger wahrscheinlich mit Materie). Ein Großteil dieses Effekts hängt mit dem photoelektrischen Effekt zusammen . Die Wahrscheinlichkeit einer photoelektrischen Absorption ist ungefähr proportional zu (Z / E) ³wobei Z die Ordnungszahl des Gewebeatoms und E die Photonenenergie ist. Wenn E größer wird, sinkt die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung schnell. Für höhere Energien wird die Compton-Streuung dominant. Die Compton-Streuung ist für verschiedene Energien ungefähr konstant, obwohl sie bei höheren Energien langsam abnimmt.

Siehe auch: Röntgenschwächung

Abschirmung von Röntgenstrahlen

Kurz gesagt basiert eine wirksame Abschirmung von Röntgenstrahlen in den meisten Fällen auf der Verwendung von Materialien mit zwei folgenden Materialeigenschaften:

• hohe Materialdichte.
• hohe Ordnungszahl des Materials (Materialien mit hohem Z)

Materialien mit niedriger Dichte und Materialien mit niedrigem Z können jedoch mit einer erhöhten Dicke kompensiert werden, die bei Abschirmanwendungen ebenso wichtig ist wie Dichte und Ordnungszahl.

Ein Blei wird häufig als Röntgenschutz verwendet . Der Hauptvorteil des Bleischildes liegt in seiner Kompaktheit aufgrund seiner höheren Dichte. Ein Blei wird häufig als Gammaschild verwendet. Auf der anderen Seite ist  abgereichertes Uran  aufgrund seines höheren Z viel effektiver. Abgereichertes Uran wird zur Abschirmung in tragbaren Gammastrahlenquellen verwendet.

In  Kernkraftwerken kann die  Abschirmung eines  Reaktorkerns  durch Materialien des Reaktordruckbehälters, Reaktoreinbauten ( Neutronenreflektor ) erfolgen. Auch schwerer Beton wird normalerweise verwendet, um sowohl Neutronen  als auch Gammastrahlung abzuschirmen  .

Im Allgemeinen ist die Röntgenabschirmung komplexer und schwieriger als die  Alpha-  oder  Betastrahlungsabschirmung . Um umfassend zu verstehen, wie ein Röntgenstrahl seine Anfangsenergie verliert, wie er abgeschwächt und wie er abgeschirmt werden kann, müssen wir seine Interaktionsmechanismen genau kennen.

Siehe auch mehr Theorie:  Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie

Siehe auch Rechner:  Gamma-Aktivität zur Dosisleistung (mit / ohne Schild)

Siehe auch XCOM – Photonenquerschnittsdatenbank:  XCOM: Photonenquerschnittsdatenbank

 

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Dieser Artikel basiert auf der maschinellen Übersetzung des englischen Originalartikels. Weitere Informationen finden Sie im Artikel auf Englisch. Sie können uns helfen. Wenn Sie die Übersetzung korrigieren möchten, senden Sie diese bitte an: [email protected] oder füllen Sie das Online-Übersetzungsformular aus. Wir bedanken uns für Ihre Hilfe und werden die Übersetzung so schnell wie möglich aktualisieren. Danke.