zum Directory-modus

Anwendungen elektromagnetischer Wellen

Anwendungen elektromagnetischer Wellen - Röntgen-Bremsstrahlung

Als wir in der Lerneinheit Ausbreitung elektromagnetischer Wellen einen kurzen Überblick über die elektromagnetischen Wellen im Spektrum gegeben haben, gehörten auch die Röntgenstrahlen mit ihren natürlichen und den technisch erzeugten Strahlungsquellen dazu (Röntgenstrahlung). Die Wellenlängen liegen zwischen 109m und 1011m, der Bereich ist nicht scharf abgegrenzt und überlappt sich mit dem Ultraviolett auf der einen Seite und der Gammastrahlung auf der anderen Seite. Wegen der enormen Bedeutung in Medizin und Forschung soll hier ein kleiner Einblick in die Erzeugung und Anwendung von Röntgenstrahlung gegeben werden, wobei der Bremsstrahlung unser besonderes Interesse gilt.

In einer Röntgenröhre werden elektromagnetische Wellen ausgesandt, wenn sehr hoch beschleunigte Elektronen auf schwere Metalle mit großer Kernladungszahl (z.B. Wolfram) treffen.

Abb.1
Schematische Darstellung einer Röntgenröhre

Der prinzipielle Aufbau einer Röntgenröhre besteht aus einer Glühkathode zur Freisetzung von Elektronen, einem Wehnelt-Zylinder zur Bündelung, einer abgeschrägten Anode, beispielsweise aus Wolfram, einer Kühlung der Anode und einem evakuierten Glaskolben (siehe schematische Darstellung im Bild).

Funktionsweise

In einer Glühkathode treten Elektronen infolge thermischer Energie aus dem Metallverbund eines glühenden Drahtes aus und werden in einem elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode (Anodenspannungen U a von 10kV und höher) sehr stark beschleunigt. Der negativ geladene Metallzylinder bündelt dabei die Elektronen. Wenn diese hoch beschleunigten freien Elektronen mit einer Geschwindigkeit von mehr als einem Drittel der Lichtgeschwindigkeit auf die Anode treffen, treten mehrere Wechselwirkungen gleichzeitig auf. Der größte Teil der kinetischen Energie der freien Elektronen wird beim Aufprall als Schwingungsenergie an die Gitteratome der Anode abgegeben, was zu einer großen Temperaturerhöhung führt. Die steigende Gitterenergie muss deshalb als Wärme an eine spezielle Anordnung zur Kühlung der Anode abgegeben werden. Ein zweiter kinetischer Energieanteil der beschleunigten freien Elektronen wird von den einzelnen Atomen des Anodengitters, genauer genommen von ihren Atomhüllen absorbiert und dann als elektromagnetische Welle mit einer ganz bestimmten diskreten Wellenlänge wieder emittiert. Diese sogenannte charakteristische Strahlung (charakteristische Röntgenstrahlung) hängt vom Anodenmaterial ab. Und schließlich haben wir einen dritten Anteil an kinetischer Energie der hoch beschleunigten freien Elektronen, der mit den positiven Atomkernen der Anode in Wechselwirkung tritt. Hier werden die Elektronen im elektrischen Feld der Atome ganz oder teilweise abgebremst, die umgewandelte Energie wird als elektromagnetische Welle kontinuierlich über einen gewissen Wellenlängen-Bereich ausgestrahlt. Diese so genannte Bremsstrahlung bildet den Hintergrund der charakteristischen Strahlung.

Die Frequenz ν der Bremsstrahlung ist proportional zur ausgesandten Strahlungsenergie E = h ν mit dem Planck'schen Wirkungsquantum h als Proportionalitätsfaktor. Wenn ein solches Elektron seine gesamte Beschleunigungsenergie E = e U a in Strahlungsenergie umsetzt, so ist die maximale ausgesendete Frequenz ν max der Bremsstrahlung

E = h ν E = e U a ν max = e U a h

und demzufolge die minimale Wellenlänge λ min der Bremsstrahlung

λ min = c ν max = c h e U a .

c ist die Lichtgeschwindigkeit. Man spricht in diesem Zusammenhang von der kurzwelligen Grenze des Bremsspektrums. Diese Grenzwellenlänge ist nur von der Anoden-Beschleunigungsspannung abhängig. Je größer die Beschleunigungsspannung ist, umso kleiner ist die Wellenlänge, bei der das Spektrum der Bremsstrahlung abrupt abbricht.

Die in einer Röntgenröhre erzeugten Röntgenstrahlen sind ihrem Wesen nach elektromagnetische Wellen mit den bekannten allgemeinen Eigenschaften. Als Spezifika können wir weiterhin vermerken, dass Röntgenstrahlen für unser Auge unsichtbar sind, sich geradlinig ausbreiten und Gase ionisieren. Sie durchdringen Stoffe unterschiedlich stark in Abhängigkeit von deren Dicke und Ordnungszahl der Atome, regen bestimmte Substanzen zum Aussenden von Licht an und schwärzen fotografische Schichten. Aus diesen oben genannten Eigenschaften resultieren auch die Nachweismöglichkeiten der Röntgenstrahlung.

Röntgen-Diagnostik

Die im Jahr 1895 von Wilhelm Röntgen mehr zufällig entdeckte und später nach ihm benannte Strahlung zeichnet sich insbesondere durch sehr große Durchdringungsfähigkeit aus. Stoffe aus Holz, Papier und Fleisch stehen stellvertretend dafür. Hingegen werden Röntgenstrahlen von Materialien wie Knochen oder Metallen absorbiert. Allgemein gilt dies für chemische Elemente mit hohen Ordnungszahlen. Auf der Grundlage dieser Feststellungen werden in der Technik unterschiedliche Verfahren der Werkstoffprüfung bis hin zur Gepäckdurchleuchtung an Flughäfen angewandt.

Eine exponierte Stellung unter allen technischen Anwendungen nehmen aber die Röntgendiagnostik und Röntgentherapie in der Medizin ein. Fast jeder von uns hat schon einmal ein Röntgenbild von seinem Brustkorb mit Knochengerüst und Lunge gesehen. Die Knochen mit ihrem Calziumgehalt wirken absorbierend, das Lungengewebe ist dagegen mehr oder weniger stark durchlässig. Weichteile und innere Organe werden vielfach erst im Röntgenbild sichtbar, wenn Kontrastmittel mit schwereren Elementen gespritzt wurden, die sich dann vom umgebenden Gewebe abheben. Die Röntgendiagnostik macht es möglich, krankhafte Veränderungen im Körperinneren zu erkennen und zu diagnostizieren. Zu beachten ist aber, dass die kurzwellige Röntgenstrahlung ionisierende Wirkung auf die Zellen im Organismus ausübt. Deshalb müssen Ärzte sehr sinnvoll und verantwortungsvoll mit dieser naturwissenschaftlichen Errungenschaft umgehen. Die Strahlenbelastung wird in Zukunft reduziert werden können, wenn das fotografische Röntgenbild ersetzt wird durch elektronische Bildbearbeitung. Auch bei der Computertomographie, dem so genannten CT, benutzt man Röntgenstrahlen, jedoch geringerer Intensität. Eine rotierende Röntgenröhre registriert schichtweise die Röntgenbestrahlung eines bestimmten Körperteils und verarbeitet die Informationen elektronisch, um schließlich ein Bild digital aufzuzeichnen, das für weitere Auswertungen am Computer zur Verfügung steht.

Als zusätzliche und alternative Diagnostikverfahren stehen heute auch die Ultraschalldiagnostik und die Kernspinresonanztomographie zur Verfügung. Kurzwellige elektromagnetische Röntgenstrahlung wird aber andererseits in der Strahlentherapie wegen ihrer ionisierenden Wirkung auch gezielt eingesetzt, um Zellgewebe zu behandeln.

Röntgen-Strukturanalyse

Wenn über technische Anwendungen der Röntgenstrahlung gesprochen wird, muss man auf jeden Fall auch kurz die Untersuchungsmethoden in der Festkörperphysik bzw. Kristallphysik streifen. In der Wellenoptik wird ausgeführt, wie sichtbares Licht mittels optischer Gitter gebeugt wird und Interferenzen auftreten. Sichtbares Licht mit Wellenlängen um 107m und die optischen Beugungsgitter lagen dabei in der gleichen Größenordnung. Einerseits werden mit optischen Gittern die Eigenschaften des Lichts untersucht, andererseits werden optische Gitter gezielt hergestellt, um Licht einer bestimmten Wellenlänge zu erzeugen. Optische Gitter sind also Mittel und Zweck.

So ähnlich verhält es sich auch mit der Röntgenstrahlung. Die Wellenlänge der Röntgenstrahlung liegt bei 1010m. Optische Strichgitter dieser Größenordnung kann man nicht mehr herstellen, aber die Natur bietet uns ein natürliches Gitter an: die Schichten der einzelnen Atome in Kristallen. Dort sind Beugung und Interferenz mit Röntgenstrahlung möglich. Und so können also einerseits mittels Kristallgittern die Eigenschaften und das Wesen der Röntgenstrahlung als elektromagnetische Welle nachgewiesen werden, umgekehrt kann mit den so genannten Röntgen-Feinstrukturuntersuchungen für eine ganz bestimmte Wellenlänge die Beugungsstruktur eines Kristalls erfasst und vermessen werden. Ein Laue-Diagramm (Laue-Verfahren) zeigt die Lage der Atome im Kristallgitter. Die Reflexionen der Röntgenstrahlen an den einzelnen Schichten des Kristalls genügen der Bragg'schen Gleichung (Bragg'sches Gesetz).

Die Röntgenstrukturanalyse gehört zu den grundlegenden Untersuchungsmethoden der Physik, um Aufschluss über Aufbau und Eigenschaften von Festkörpern zu erhalten. Viele naturwissenschaftliche Erkenntnisse und ihre technischen Anwendungen basieren auf den experimentellen Laue-Aufnahmen im Rahmen der Feinstrukturanalyse.

Seite 2 von 3