El.-magn. Wellen und Röntgen
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Elektromagnetische Wellen • gekoppelte elektrische und magnetische Felder, die in den Raum abgestrahlt werden • Ursache: oszillierendes magnetisches / elektrisches Feld eines Dipols E • E - und B - Feldvektor senkrecht zueinander • Beide senkrecht zur Ausbreitungsrichtung x Transversalwelle x Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 2 B • Charakterisierung: Wellenlänge und Frequenz f • Ausbreitungsgeschwindigkeit c im Vakuum 1 ∙ 2,997· 108 m/s μ Welle-Teilchendualismus Elektromagnetische Wellen haben sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften Reflexion Absorption Brechung Emission Beugung spezielle Wechselwirkungsphänomene Photoeffekt, Comptoneffekt Interferenz Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 3 Kohärenz Polarisierbarkeit Quant bzw. Photon Optik Quantenenergie h - Plancksche Wirkungsquantum W = hf h = 6,625 · 10-34 J · s Elektromagnetisches Spektrum Sichtbares Licht (400 ... 750 nm) Ultraviolettes Infrarotes Licht Licht Mikrowellen (200 ... 400 nm) (Mobil-, Richt-, Satellitenfunk, Radar) Röntgenstrahlung - Strahlung 10-16 10-14 10-12 10-10 Radiowellen (Fernsehen, Rundfunk) 10-8 10-6 10-4 10-2 100 104 102 106 Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 4 Wellenlänge , m 1024 1022 1020 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 102 Frequenz f, Hz • Energie der Photonen: W= hf = h c 1 Röntgenröhre Beschleunigung der Elektronen im elektrischen Feld in Richtung Anode Energieerhaltung: , 1 2 Anode UA: 10 ... 400 kV Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 5 UA Kathode UH Austritt von Elektronen aus der Kathode durch Glühemission gesteuert von Heizspannung UH Entstehung von Röntgenstrahlung • durch Wechselwirkung der Elektronen mit dem Anodenmaterial 1. Bremsstrahlung: Abbremsen der Elektronen im E-Feld der Atomkerne Umwandlung kinet. Energie in Strahlungsenergie 1 2 Anode UA > UA Intensität Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 6 UA Kathode Kontinuierliches Spektrum UH g Wellenlänge Entstehung von Röntgenstrahlung 2. Charakteristische Strahlung (Eigenstrahlung): Wechselwirkung mit Elektronen der Atomhülle L K Anode Atomkern N O • Herausschlagen eines Elektrons der Hülle • Auffüllen der Elektronenlücke durch ein äußeres Elektrons • unter Emission einer direkten Strahlungsenergie Elektronenstrahl Intensität Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 7 UA M Kathode Linienspektrum abhängig von Anodenmaterial UH Wellenlänge 2 Röntgenspektrum • Beide Anteile addieren sich Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 8 Intensität g Absorption von Röntgenstrahlung I I0 I = I0 e- µ d I0 I(d) µ - Absorptionskoeffizient I0/2 d d½ d Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 9 • Halbwertdicke: Schichtdicke, nach der die Hälfte der Strahlung absorbiert ist ln 2 d½ = • weiche (langwellige) Strahlung wird besser absorbiert als harte Strahlung • Stoffe mit hoher Ordnungszahl Z absorbieren besonders gut µ ~ • 3 • Z3 Prozesse bei Röntgenabsorption 1. Photoeffekt ½ mv2 Elektron wird aus Atomhülle heraus gelöst Photon wird vollständig absorbiert h • f = ½ mv2 + W hf W - Ablösearbeit Streuung des Photons an Elektron der Atomhülle 2. Compton-Effekt h • f‘ < h • f ½ mv2 Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 11 hf hf‘ 3. Paarbildungseffekt hf > 1,02 MeV Bildung von Teilchen und Antiteilchen e- hier Elektron und Positron E = mc² e+ h • f > 2 mec2 3 Bragg‘sche Reflexion am Kristallgitter • Gangunterschied: = 2 d sin Holger Scheidt EM-Wellen/Röntgen 12 • Maxima durch Interferenz der Wellenzüge d 2 d sin n = n (n = 1, 2, ...) Gangunterschied Kristall mit Netzebenenabstand d 4
