Röntgenstrahlung

Was ist Röntgenstrahlung?

Röntgenstrahlung ist eine elektromagnetisch Strahlung hoher Energie (1- 200 keV). Die Wellenlänge von Röntgenstrahlung liegt zwischen 10 nm (Nanometer) und 5 pm (Pikomenter). Elektromagnetische Strahlung noch höherer Energie wird der Gammastrahlung zugeordnet.

Wie entsteht Röntgenstrahlung?

Röntgenstrahlung ist keine radioaktive Strahlung, weil sie nicht durch einen Kernzerfall eines radioaktiven Atoms entsteht. Aber ähnlich wie radioaktive Strahlung hat Röntgenstrahlung sehr viel Energie und kann daher Atome und Moleküle ionisieren und ist daher gesundheitsschädlich.

Bremsstrahlung

Wenn ein geladenes Teilchen, wie ein Elektron, aufgrund äußerer Ladungen seine Flugrichtung ändert, dann verliert es dabei Energie. Diese Energie wird dabei als Röntgenstrahlung abgegeben.
So etwas passiert zum Beispiel, wenn ein Elektron an einem Atomkern vorbeifliegt.
Wenn das Elektron sehr nah an dem Atomkern vorbeifliegt, dann wird es stark abgelenkt und verliert viel Energie. Dann entsteht also Röntgenstrahlung mit recht hoher Energie. Wird das Elektron nur ein wenig von seiner Bahn abgelenkt, dann entsteht dabei energiearme Röntgenstrahlung.
Diese sogenannte Bremsstrahlung hat ein kontinuierliches Energiespektrum.

Charakteristische Röntgenstrahlung

Einige der Elektronen werden nicht nur von ihrem Weg abgelenkt, sondern sie schlagen Elektronen aus den inneren Schalen der Atome in der Anode heraus. So entstehen "Löcher" in der Elektronenhülle der Atome, welche von den Elektronen der äußeren Orbitale wieder gefüllt werden, wobei auch wieder Röntgenstrahlung frei wird. Allerdings haben diese Photonen kein kontinuierliches Energiespektrum mehr. Sie haben sehr cahrakteristische Energien. An diesen Energien kann man erkennen, von welchem Atom sie stammen, diese diskreten Energiespektren sind wie ein Fingerabdruck für das bestrahlte Material.

Abschirmung von Röntgenstrahlung

Für die Abschirmung von Röntgenstrahlung gilt weitgehend das gleiche, wie für die Gammastrahlung, die ja auch eine elektromagnetische Strahlung ist. Allerdings lässt sie sich wegen der kleineren Energie und der größeren Wellenlänge etwas besser abschirmen.
Das einzige, was mit Gammsatrahlung nicht möglich ist, ist die Streuung bzw. Beugung von Röntgenstrahlung an Kristallgittern. So ähnlich, wie sichtbares Licht an einem optischen Gitter, kann Röntgenlicht an den Gitterebenen eines Kristalls gebeugt werden. Für Röntgenstrahlung kann man daher so etwas wie Linsen herstellen, um sie zu bündeln oder zu streuen.
Alles folgende ist wie bei der Gammastrahlung:
Bei der Absorption von Röntgenstrahlung kann man für unterschiedliche Materialien eine Halbwertsdicke angeben. Das ist die Dicke des Materials, bei der die Röntgenstrahlung beim Durchstrahlen die Hälfte ihrer Energie verlieren. Für die Intensität gilt dann:

Eines der wirksamsten Abschirmungsmaterialien von Röntgenstrahlung ist Blei.

Röntgenstrahlung wird bei Durchstrahlung von Materie schwächer, wegen dreier sehr unterschiedlicher Phänomene. Diese treten mit wachsender Energie der -Photonen in der angegebenen Reihenfolge auf:

Photoeffekt: Hier schlägt ein Röntgen-Photon ein Elektron aus einem Material heraus. Da die Röntgen-Photonen sehr viel Energie haben, werden von diesen vor allem Elektronen aus den inneren Kern-näheren Atomorbitalen herausgeschlagen. Beim Photoeffekt geht die gesamte Energie des Photons auf das Elektron über.
Comptoneffekt: Beim Comptoneffekt vergrößert sich die Wellenlänge eines Photons durch einen Stoß mit einem Teilchen. Dieser Effekt wurde zuerst mit Elektronen beobachtet. Das Röntgen-Photon stößt ein Elektron aus einem Atom oder einer Molekülbindung hinaus. Im Gegensatz zum Phtoeffekt wird dabei aber nicht die gesamte Energie des Photons verbraucht, sondern nur ein Teil. Das durch die Ionisation herausgestoßene Elektron nimmt einen Teil der Energie als kinetische Energie auf und der Restbetrag bewegt sich in Form eines entsprechend energieärmeren Photons weiter. Es ist ähnlich einer Billard-Kugel, die eine ruhende zweite Kugel anstößt und nach dem Stoß mit verringerter Energie in eine andere Richtung weiterrollt.
Paarbildung: Durch die Wechelwirkung mit Materie können aus einem Röntgen-Photon ein Teilchen-Antiteilchen-Paar entstehen, wenn die Energie des Photons größer als die Energie der Teilchen ist.

Backlinks:
2 Physikbücher:BGPhysik13-2:1. Radioaktive Strahlung - ionisierende Strahlung