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Röntgenstrahlung

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Die Autor/-innen
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Jakob Köbner
Röntgenstrahlung
lernst du in der 9. Klasse - 10. Klasse - 11. Klasse

Beschreibung Röntgenstrahlung

In diesem Video erzähle ich dir, was Röntgenstrahlung ist und wer sie entdeckt hat. Es wird auf ihre Anwendungsmöglichkeiten eingegangen und beschrieben, wie man sie mithilfe einer Röntgenröhre (oder, wie man sie damals nannte: Kathodenstrahlröhre) erzeugen kann. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten: Durch starke Abbremsvorgänge geladener Teilchen, oder durch Übergangsvorgänge im Atom. Zum Schluss erkläre ich euch noch kurz, wieso dabei ein Anteil mit kontinuierlicher und ein Anteil mit diskreter Energieverteilung entsteht.

Transkript Röntgenstrahlung

Hallo und herzlich willkommen zu "Physik mit Kalle"! Wir machen mal wieder Atomphysik und wollen uns heute die Röntgenstrahlung genauer ansehen. Für diesen Film solltet ihr den Film über das Bohrsche Atommodell gesehen haben. Wir lernen heute: -Was ist Röntgenstrahlung? -Wer hat sie entdeckt? -Wie kann man sie erzeugen? Und: -Was passiert dabei eigentlich im Atom? So, dann fangen wir doch gleich mal mit der 1. Frage an. Was ist eigentlich Röntgenstrahlung? Ihr habt bestimmt schon mal ein Röntgenbild, vielleicht von einem Knochen, gesehen. Aber womit werden diese Aufnahmen eigentlich gemacht? Als Röntgenstrahlen bezeichnet man Photonen, also Lichtteilchen, mit relativ hoher Energie. Sie sind zwischen dem ultravioletten Licht und der Gamma-Strahlung angesiedelt. Diese Röntgenstrahlen werden entweder durch starke Abbremsungsvorgänge geladener Teilchen oder durch energiereiche Übergänge im Atom erzeugt. Was das bedeutet, wollen wir uns später nochmal genauer anschauen. Zuerst einmal wollen wir uns ansehen, wer die Röntgenstrahlen eigentlich entdeckt hat. Vielleicht habt ihr es wegen des Namens schon erraten. Die Röntgenstrahlen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt. Er entdeckte, dass aus einer Kathodenstrahlröhre oder Entladungsröhre, heute nennt man diese Geräte Röntgenröhren, auch noch dann Strahlen austreten, die eine Fotoplatte schwärzen können, wenn man sie komplett mit schwarzer Pappe abgedeckt hat. Er nannte seine Entdeckung X-Strahlen. Und obwohl man in Deutschland und einigen anderen Ländern ihm zu Ehren von Röntgenstrahlung spricht, hat sich diese Bezeichnung in vielen anderen Sprachen gehalten. So heißen die Röntgenstrahlen in England zum Beispiel X-Rays. Die wissenschaftliche Welt war von der Entdeckung, dass diese Strahlen Materie durchdringen können, begeistert, vor allem wegen der medizinischen Anwendungen. Rechts im Bild seht ihr eines der ersten Röntgenbilder einer Hand. Aufgrund der vielen Anwendungsmöglichkeiten wurde Röntgen 1901 für diese Entdeckung auch der erste Nobelpreis für Physik verliehen. So, nun wollen wir uns mal ansehen, wie diese Röntgenröhren eigentlich funktionieren. Hier seht ihr eine Skizze einer Röntgenröhre. Stellt euch das Ganze am besten vor wie eine riesige Glühbirne, in der ein Hochvakuum herrscht. Mit K gekennzeichnet ist die Kathode. Sie wird durch eine Heizspannung erhitzt, sodass Elektronen aus ihr austreten. Zischen Kathode und Anode liegt eine zweite Spannung an, die die Elektronen auf die Anode hin beschleunigt. Nun knallen unsere superschnellen Elektronen also auf die Anode, die im Bild mit A gekennzeichnet ist. Neben Röntgenstrahlung entsteht dabei auch wahnsinnig viel Hitze, weswegen die Anode von hinten mit Wasser gekühlt werden muss. Wie wir am Anfang schon gehört haben, entsteht Röntgenstrahlung durch starke Abbremsvorgänge. Das verstehen wir, die Elektronen knallen auf die Anode und werden dabei stark abgebremst. Aber auch durch Übergangsvorgänge im Atom. Was passiert da eigentlich genau? Wie Röntgenstrahlung durch Übergänge im Atom entsteht, lässt sich eigentlich relativ leicht verstehen, wenn man das Bohrsche Atommodell noch gut im Kopf hat. Wie wir wissen, hat ein Atom verschiedenen Elektronenschalen, die im Bohrschen Atommodell durch die verschiedenen Elektronenbahnen beschrieben werden. Links im Bild seht ihr ein Beispielatom. Die inneren Schalen, die energetisch günstiger sind, sind dabei voll besetzt. Was in der Anode passiert, ist nun folgendes: Die von der Kathode zur Anode hin beschleunigten Elektronen können nun aus den inneren Schalen Elektronen herausschlagen. Dadurch wird dann Platz in einer inneren Schale frei. Jetzt kann ein Elektron aus einer äußeren Schale auf diesen freien Platz springen. Der Energieunterschied zwischen diesen beiden Schalen wird dabei als Lichtteilchen freigegeben. Und so entstehen im Atom durch Übergänge Röntgenstrahlen. Im Gegensatz zur Bremsstrahlung, die beliebige Werte annehmen kann, ist der Energieunterschied zwischen den einzelnen Bahnen für jedes Material anders. Die durch Übergänge entstehende Röntgenstrahlung hat also nicht, wie die Bremsstrahlung, kontinuierliche Verteilungen, sondern ganz charakteristische Werte. Wir wollen noch einmal wiederholen, was wir heute gelernt haben. Röntgenstrahlen nennt man Photonen hoher Energie. Sie liegen von der Energie her zwischen UV-Strahlung und Gamma-Strahlung und sie können Materie durchdringen. Die Röntgenstrahlen wurden 1895 von Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt. Sie können mit Hilfe einer Röntgenröhre erzeugt werden und bestehen aus 2 Komponenten: Der kontinuierlich verteilten Bremsstrahlung und der durch Übergänge im Atom entstehenden Röntgenstrahlung, die nur ganz bestimmte materialabhängige, man sagt auch diskrete Werte, annehmen kann. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank für's Zuschauen und vielleicht bis zum nächsten Mal. Bis dann. Euer Kalle    

7 Kommentare

7 Kommentare
  1. Ich finde dein Video sehr hilfreich, damit ist mein Physik-Vortrag komplett verstanden, danke vielmals.

    Von Isarhoda, vor etwa 5 Jahren
  2. Die Erklärungen sind echt top. Sollten sich Lehrer mal ein Beispiel dran nehmen! ;)

    Von Patrick S., vor etwa 8 Jahren
  3. nein, nicht ganz ... durch die Kathode fliesst erstens ein Strom, der sie aufheizt; von Uh verursacht (dadurch treten die Elektronen aus).
    Zweitens liegt eine Spannung Ua zwischen Anode und Kathode an, die die ausgetretenen Elektronen von der Kathode zur Anode hin beschleunigt ... und damit sie das kann, muss die Spannung so gepolt sein, dass die Kathode negativ geladen im Vergleich zur Anode ist.

    Von Jakob Köbner, vor etwa 9 Jahren
  4. Stimmt das so: Durch die Kathode fließt Strom. Positive Ladung. Die abgeschickten Teilchen sind negativ.

    Von Smiley97, vor etwa 9 Jahren
  5. und plötzlich interessiert mich Atomphysik, ich glaub's ja nicht, es liegt also doch auch an den Lehrern :-)

    Von Deleted User 15163, vor mehr als 10 Jahren
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Röntgenstrahlung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Röntgenstrahlung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe, wie Röntgenstrahlung entsteht.

    Tipps

    Röntgenstrahlen können die Haut durchleuchten. Woher kennst du dieses Verb sonst?

    Was zeichnet die Schalen im Atom aus?

    Lösung

    Licht kann alle möglichen Frequenzen besitzen. Das sichtbare Licht liegt bei ca. $10^{15} Hz$. Röntgenstrahlung ist auch Licht allerdings mit weit höherer Frequenz im Bereich von $10^{17} Hz$ bis $10^{19} Hz$.

    Aber Röntgenstrahlung ist nicht nur frequenzspezifisch. Auch die Art der Entstehung charakterisiert sie. Wenn sehr schnelle Elektronen abgebremst werden, entstehen Röntgenphotonen. Ihre Energie ist genau diejenige, die zum Abbremsen der Elektronen nötig ist und kann variieren. In der Physik sagt man dazu: Die Energie kann kontinuierliche Werte annehmen.

    Aber auch wenn Elektronen im Atom auf eine dem Kern nähere Schale springen erzeugen sie Photonen. Die Energie dieser Photonen ist genau die Energiedifferenz zwischen den Schalen. Damit können diese Photonen nur ganz spezifische, man sagt auch diskrete Werte annehmen. Solche Übergänge im Atom erzeugen Röntgenstrahlung, wenn die Energiedifferenz zwischen den Schalen besonders hoch ist. Das ist zum Beispiel beim Übergang auf die K-Schale (die dem Kern nächste Schale) zutreffend.

  • Gib die Abhängigkeiten der Energie von Röntgenphotonen an.

    Tipps

    Erinnere dich, wie die diskrete und wie die kontinuierliche Röntgenstrahlung entsteht.

    Lösung

    Die Energie der diskreten Röntgenstrahlung hängt von den Phasenübergängen in den Energieniveaus des Anodenmaterials ab. Ein Elektron springt von einer äußeren (beispielsweise der L-Schale) auf die K-Schale. Dabei wird ein Photon mit der Energiedifferenz dieser beiden Schalen freigesetzt.

    Dagegen ist die Bremsstrahlung kontinuierlich. Sie entsteht durch Abbremsprozesse der Elektronen, die auf die Anode geschossen werden.

  • Beschreibe wie eine Röntgenröhre aufgebaut ist.

    Tipps

    Welche Teilchen treffen auf die Platte?

    Welche Funktion erfüllen die angelegten Spannungen?

    Lösung

    Wir sehen hier den schematischen Aufbau einer Röntgenröhre. Ein Stromkreis sorgt dafür, dass am Glühdraht Elektronen austreten. Die angelegte Spannung nennt man Heizspannung $U_h$. Hierbei ist im Gegensatz zur Beschleunigungsspannung $U_a$ unwichtig, in welche Richtung der Strom fließt. Letztere soll die Elektronen zur Anode hin beschleunigen. Daher muss der Strom im Uhrzeigersinn fließen. Der Glühdraht ist also unsere Kathode, denn von hier kommen die Elektronen.

    Die Pfeile, die von der Röntgenröhre wegzeigen, stehen für die Röntgenstrahlen.

  • Beschreibe das Röntgenspektrum

    Tipps

    Überlege welcher Teil der Röntgenstrahlung diskret bzw. kontinuierlich ist. Wie könnte sich dies auf das Spektrum auswirken?

    Lösung

    Das Spektrum der Röntgenstrahlung besteht aus zwei wesentlichen Elementen. Einer kontinuierlichen Bremsstrahlung, die zu höheren Energien hin abnimmt (Bereich III) sowie diskreten Peaks. Diese werden durch die Elektronenübergänge im Atom erzeugt. Die höhere Energie hat dabei der Übergang mit der größeren Energiedifferenz. Dies ist hier die $K_{\alpha}$-Linie. Sie bezeichnet den Übergang von der M auf die K-Schale (Bereich I). Die $K_{\beta}$-Linie ist auch diskret aber weniger Energiereich, da das Elektron hier nur von der L- auf die K-Schale springt (Bereich II).

  • Gib den Frequenzbereich der Röntgenstrahlung an.

    Tipps

    Wurdest du schon einmal geröntgt? Konntest du die Strahlen sehen?

    Lösung

    Röntgenstrahlen sind Licht. Allerdings können wir sie nicht sehen, da ihre Wellenlänge zu kurz ist (zwischen $10^{-8}$ m und $10^{-11}$ m). Daher haben sie eine sehr hohe Energie, was sie ziemlich gefährlich macht.

    Wenn wir die Röntgenstrahlen sehen könnten, wäre es für uns möglich, wie mit einem Röntgenapparat zu sehen. Zumindest solange Röntgenstrahlung im Raum vorhanden ist.

  • Berechne die Energie der Röntgenstrahlung.

    Tipps

    Aus welcher Energie speist sich die Energie der Bremsstrahlung?

    Lösung

    $E_b$ entsteht beim Abbremsen des Elektrons. Seine kinetische Energie $E_{kin}$ wird komplett umgewandelt und zwar sowohl in Wärmeenergie $E_W$ als auch in die Energie der Bremsstrahlung $E_b$. Daraus folgt:

    $E_{Kin} = E_b + E_W \leftrightarrow E_b = E_{Kin} - E_W $.

    $E_{Kin}$ berechnen wir über:

    $E_{Kin} = \frac{1}{2} m_e \cdot v^2 = \frac{1}{2} \cdot 9,1 \cdot 10^{-31} kg \cdot (1,33 \cdot 10^{8} \frac{m}{s})^2 = 8,05 \cdot 10^{-15} J = 50,24 keV$.

    Damit folgt: $E_b = 50,24 keV - 30 keV = 20,24 keV$.

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