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