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50 ANHANG B. PHYSIKALISCHE GRUNDLAGEN Dazu sagen die Bohrschen Postulate folgendes aus: 1. Elektronen können den Atomkern nur auf bestimmten Bahnen (Schalen) strahlungslos umlaufen. 2. Der Übergang von einer kernferneren zu einer kernnäheren Bahn erfolgt sprunghaft und unter Abgabe eines Strahlungsquants. Das abgegebene Strahlungsquant besitzt dabei die Differenzenergie der beiden beschriebenen Schalen. Ebenso ist diese Energie nötig um ein Elektron in eine höhere Bahn zu heben. B.1.2 Atomarten Es gibt mehrere verschiedene Arten von Atomen, die im folgenden kurz erläutert werden sollen: Ionen: Als Ionen bezeichnet man elektrich geladene Teilchen, denen ein Elektron in der Hülle fehlt. Das Entfernen des Elektrons wird daher als Ionisation, und die dafür benötigte Energie als Ionisationsenergie bezeichnet. Nuklide: Atome mit der gleichen Anzahl an Neutronen wie Protonen, nennt man Nuklide. Sie entstehen bei Kernumwandlungen und werden in der Nuklearmedizin eingesetzt. Langlebige Nuklide bezeichnet man als Metastabil. Isotope: Als Isotope werden Atome mit gleicher Ordnungszahl 1 aber unterschiedlicher Massenzahl benannt. Ändert sich das Verhältnis der Anzahl von Protonen und Neutronen kann das Isotop instabil werden und unter Strahlung zerfallen. Man nennt es dann Radioisotop. B.2 Röntgenstrahlung Der natürliche Zerfall von instabilen Kernen unter Strahlungsabgabe wird als radioaktiver Zerfall bezeichnet. Dabei entstehen α-, β- und γ-Strahlung. Anders als α- und β-Strahlung gehören Röntgen- und γ-Strahlung zu den elektromagnetischen Wellen, wie Abbildung B.2 zeigt. B.2.1 Bremsstrahlung Die Entstehung der Röntgenstrahlung ist durch das Prinzip der Bremsstrahlung zu erklären. Schnelle Elektronen werden bei der Durchquerung einer Atomhülle durch die Anziehungskraft des Kerns gebremst und abgelenkt. Durch dieses Abbremsen verliert das Elektron einen bestimmten Betrag an kinetischer Energie, der als Röntgenstrahlung abgegeben wird. Je näher sich das Elektron am Kern befindet, desto höher ist die Energie der resultierenden Röntgenstrahlung (vgl. mit Energieniveaus aus Abb. B.1). B.2.2 Wechselwirkung mit Materie Im folgenden sollen die Effekte beschrieben werden, die auftreten können wenn Röntgenstrahlung auf Materie auftrifft. Abbildung B.3 verdeutlicht die beschriebenen Effekte im einzelnen. Der Einfachheit halber, wird nur ein Röntgenquant das auf ein Atom trifft, betrachtet. Angeregter Zustand: Durch Energiezugabe des Röntgenquants wird ein Elektron auf eine höhere Schale gehoben, sprich angeregt. Photoabsorbtion: Die Energiezugabe durch das Röntgenquant bewirkt das Herausschlagen eines Elektrones aus der Hülle (auch als Photoeffekt bekannt). Klassische Streuung: Das Röntgenquant wird beim Auftreffen abgelenkt und hat keinen Einfluss auf das Atom oder die Elektronen. Compton-Effekt: Klassische Streueung mit Energieabgabe. Hier bewirkt die Röntgenenergie ein herausgeschlagenes Elektron. Das Röntgenquant besitzt aber noch genug Energie und wird gleichzeitig abgelenkt. Paarbildung: Durch Wechselwirkung mit dem Atomkern wird ein Elektronen / Positronen 2 Paar gebildet 1 Die Ordnungszahl eines Elementes entspricht der Anzahl der Protonen im Kern. 2 Teilchen mit Elektronenmasse und positiver Ladung werden als Positronen bezeichnet.
B.2. RÖNTGENSTRAHLUNG 51 Abbildung B.2: Frequenzen und Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums (aus [18]) Abbildung B.3: Wechselwirkung von Röntgenstrahlen mit Materie (aus [18])
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