Erzeugung von Röntgenstrahlen
Wie macht man Röntgenstrahlen?
Ein Röntgenapparat wie der bei einem Arzt oder Zahnarzt ist eigentlich recht einfach gebaut. Innnendrin gibt es eine Röntgenröhre. Eine Elektronenkanone schießt hochenergetische Elektronen auf ein Zielmaterial aus schweren Atomen, zum Beispiel Wolfram. Verschiedene atomare Prozesse, an denen die energetischen Elektronen im Zielmaterial beteiligt sind, führen zur Emission von Röntgenstrahlen.
Röntgenstrahlen sind genau wie alle anderen Arten von elektromagnetischer Strahlung. Sie können in Energiepaketen, Photonen genannt, erzeugt werden. Es gibt zwei verschiedene atomare Prozesse, bei denen Röntgenphotonen entstehen können. Einer heißt Bremsstrahlung, der andere K-Schalen-Emission. Beide kommen in schweren Atomen wie Wolfram vor.
Und in jedem der beiden Fälle ändert sich der Zustand der Elektronen?
Das stimmt. Aber Bremsstrahlung ist leichter zu verstehen, nämlich mit der klassischen Idee, dass Strahlung emittiert wird, wenn sich die Geschwindigkeit, mit der sich ein Elektron dem Wolfram nähert, dabei ändert. Dieses Elektron wird langsamer, weil es durch elektrische Kräfte in einen Bogen um das Wolframatom herum gezwungen wird und dabei Röntgenstrahlung abgibt. Im Quantenbild sieht das so aus, dass viele Photonen verschiedener Wellenlängen erzeugt werden, aber natürlich hat keines davon mehr Energie als das Elektron am Anfang hatte. Nach der Aussendung des Spektrums an Röntgenstrahlung ist das ursprüngliche Elektron verlangsamt oder bleibt sogar ganz stecken.
Worum handelt es sich bei dieser "K-Schale" bei der anderen Art der Röntgenstrahlerzeugung?
Du weißt doch, dass die Elektronen in Atomen in geschlossenen "Schalen" verschiedener Energie angeordnet sind. Nun, die K-Schale, die innerste der Schalen, ist der niedrigste Energiezustand des Atoms.
Was kann das einfallende Elektron aus der Kanone denn mit einem K-Schalen-Elektron anstellen?
Es kann ihm genug Energie übertragen, um es aus seinem Energiezustand herauszuschlagen. Dann kann ein Elektron aus einem höheren Energiezustand (von einer äußeren Schale) in die K-Schale fallen. Die Energie, die das herunterfallende Elektron dabei verliert, wird als Röntgenphoton abgegeben. Währenddessen fallen im Atom Elektronen noch höherer Energie in die nun frei gewordene Stelle in der äußeren Schale, und so weiter. K-Schalen-Emission ergibt Röntgenstrahlen höherer Intensität als Bremsstrahlung, und das Röntgenphoton kommt bei einer einzigen Wellenlänge heraus. Schau dir beide Mechanismen im Experiment hier unten an.
Wie Röntgenstrahlen ausgesandt werden
Klicke auf das Bild und drücke "B", um durch Bremsstrahlung erzeugte Röntgenstrahlen zu sehen. Klicke auf das Bild und drücke "K", um durch K-Schalen-Emission erzeugte Röntgenstrahlen zu sehen.
