Elektromagnetismus und Röntgenstrahlung: Grundlagen

Grundlegende Kräfte und Felder

Bei der Untersuchung der materiellen Welt und der Analyse der auf sie wirkenden Kräfte können wir vier grundlegend verschiedene Arten von Kräften unterscheiden: Gravitationskraft, elektromagnetische Kraft sowie die starke und schwache Kernkraft.

Die Gravitationskraft

Die Gravitationskraft wird für uns, abgesehen von spezifischen Experimenten, erst bei hohen Materiekonzentrationen wahrnehmbar. Sie ist auf planetarer und supraplanetarer Ebene von Bedeutung. Unsere alltäglichste Erfahrung damit ist unser eigenes Gewicht und das der Körper um uns herum. Dieses Gewicht ist die Anziehungskraft unseres Planeten. Diese Kraft erlaubt es uns, die Eigenschaft "Masse" materieller Teilchen zu definieren. Da sie stets positiv und kumulativ ist, wird diese Eigenschaft oft mit der Menge an Materie identifiziert. Die Kraft "Gewicht", die wir mit der Masse eines Körpers verbinden, ist die Anziehungskraft, die unser Planet auf ihn ausübt. Dies führt dazu, dass Körper sich im Gravitationsfeld eines isolierten Körpers wie der Erde befinden. Wenn ein Körper an einem Punkt im Raum eine Kraft erfährt, schließen wir daraus, dass an diesem Punkt ein Gravitationsfeld existiert.

Elektromagnetische Kräfte

Elektromagnetische Kräfte treten in ihrer einfachsten Form bei Magneten oder durch künstliche Experimente mit Dielektrika (z. B. Kunststoff, der mit Wolle gerieben wird) in Erscheinung. Ihre Existenz ermöglicht es uns, die Eigenschaft "Ladung" von Teilchen zu definieren. Diese zwischen Teilchen wirkende Kraft ist exponentiell stärker als die Gravitationskraft (die elektrostatische Abstoßungskraft zwischen zwei Protonen ist 10³⁶ Mal größer als ihre gravitative Anziehungskraft). Diese Kraft ist für den Zusammenhalt von Materialien und für chemische Reaktionen verantwortlich. Fast alle physikalischen Phänomene, die wir untersuchen, basieren auf diesen Kräften.

Die Ansammlung positiver oder negativer Ladungen in einem Materiestück könnte zu starken Kraftwirkungen führen. Wir wissen jedoch, dass dies normalerweise nicht der Fall ist, da Materialien elektrische Ladungen in einem sorgfältigen Gleichgewicht entgegengesetzter Vorzeichen aufweisen. Die beobachtbaren Phänomene sind meist Anzeichen sehr geringer lokaler Ungleichgewichte. Wenn ein ruhender Körper mit einer Nettoladung (ungleich null) an einem Punkt im Raum eine Kraft erfährt, schließen wir daraus, dass an diesem Punkt ein elektrisches Feld existiert.

Die Kräfte zwischen Magneten definieren wir als magnetische Kräfte, die auf bewegte Ladungen wirken. Es handelt sich um eine weitere Eigenschaft der Materie. Die Beobachtung von Kräften an ruhenden Materialstücken (Magneten) lässt sich auf die innere Bewegung geladener Teilchen in der spezifischen Struktur dieser Materialien zurückführen. Wenn ein Körper mit einer Nettoladung (ungleich null) und einer bestimmten Geschwindigkeit an einem Punkt im Raum eine Kraft erfährt, die proportional zur Ladung und Geschwindigkeit ist und senkrecht zur Bewegungsrichtung steht, schließen wir daraus, dass an diesem Punkt ein Magnetfeld existiert.

Röntgenstrahlen (RX)

Entdeckung und Natur

Röntgenstrahlen (RX) wurden 1895 zufällig vom deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen entdeckt, als er die durch Kathodenstrahlen erzeugte Lumineszenz untersuchte. Er beschrieb sie als unsichtbare Strahlung, die für alle anderen bekannten Strahlungsarten undurchdringliche Materialien durchdringen und eine Fotoplatte schwärzen konnte. Da er weder ihren Ursprung noch ihre Natur erklären konnte, nannte er sie X-Strahlen. Erst 1912 konnte Max von Laue durch Beugung an Kristallgittern ihre Wellennatur nachweisen.

Erzeugung von Röntgenstrahlen

Natürliche und künstliche Quellen

Röntgenstrahlen entstehen, wenn ein ausreichend schneller Elektronenstrahl auf Materie trifft. Die starke Beschleunigung (Abbremsung), die ein schnelles Elektron beim Zusammenstoß mit einem größeren Teilchen erfährt, führt gemäß dem Planckschen Gesetz zur Emission eines Großteils der Elektronenenergie in Form von hochenergetischer elektromagnetischer Strahlung (OEM).

In der Natur können Röntgenstrahlen während Gewittern oder durch radioaktive Stoffe entstehen. Diese natürlichen Quellen sind jedoch für praktische Anwendungen in der Medizin oder anderen Bereichen völlig unzureichend. Als Nebenprodukt entstehen sie auch in geringen Mengen in gängigen Geräten mit Elektronenkanonen, wie Fernsehern oder Computermonitoren (ältere Modelle). Die gezielte Erzeugung von Röntgenstrahlen erfolgt mithilfe von Elektronenkanonen, die in verschiedenen Geräten angeordnet sind.

Die Coolidge-Röhre

Die einfachste und häufigste Vorrichtung ist die Coolidge-Röhre, eine Vakuumröhre. Sie enthält ein Glühfilament als Elektronenemitter (Kathode, basierend auf dem Edison-Effekt) und eine Anode (auch Antikathode genannt) aus einem Schwermetall wie Wolfram (W), Platin (Pt) oder Osmium (Os). Unter der Einwirkung einer Hochspannung von mehreren zehntausend Volt werden die Elektronen stark beschleunigt und treffen auf die Antikathode, wodurch Röntgenstrahlen erzeugt werden.

Wechselwirkung mit Materie

Andere Arten von Teilchenbeschleunigern können ebenfalls zur Erzeugung von Röntgenstrahlen eingesetzt werden, beispielsweise für die Strahlentherapie. Die Wechselwirkung der Elektronen mit den Atomen der Anode führt zu einer Abbremsung der Elektronen (Bremsstrahlung). Die dabei verlorene kinetische Energie der Elektronen manifestiert sich in verschiedenen Formen:

• Ein beträchtlicher Teil wird direkt oder indirekt in Wärme umgewandelt, was ein Kühlsystem für die Anode erfordert.
• Ein anderer Teil, der uns hier interessiert, wird von der Anode in Form von Röntgenstrahlen abgestrahlt.

Der relative Anteil der abgestrahlten Energie (Wirkungsgrad) variiert stark in Abhängigkeit von Faktoren wie dem Anodenmetall, beträgt aber bei typischen Röhren oft nur wenige Prozent. Da ein Schwermetall verwendet wird, werden die Elektronen oft diffus gestreut, sodass die Wahrscheinlichkeit eines "frontalen" Zusammenstoßes mit einem Atomkern, bei dem das Elektron seine gesamte Energie E₀ abgibt, sehr gering ist.

Wenn die Beschleunigungsspannung schrittweise erhöht wird, verschiebt sich das kontinuierliche Spektrum der Bremsstrahlung zu höheren Frequenzen (kürzeren Wellenlängen), und die Gesamtintensität (Fläche unter der Kurve) nimmt zu. Ab bestimmten Spannungswerten erscheinen jedoch zusätzlich scharfe Linien oder Liniengruppen eines diskreten Spektrums, die sich dem kontinuierlichen Spektrum überlagern. Dieses diskrete Spektrum ist für jedes Anodenmetall unterschiedlich und wird als charakteristisches Spektrum bezeichnet.

Wenn die kinetische Energie der einfallenden Elektronen ausreicht (d. h. größer oder gleich der Bindungsenergie eines Elektrons in den inneren Schalen des Anodenatoms ist), kann es mit diesem interagieren und es aus dem Atom herausschlagen. Ein Elektron aus einer höheren Schale nimmt dann dessen Platz ein und gibt die Energiedifferenz als Photon mit einer sehr präzisen Frequenz (Energie) ab. Bei schweren Atomen erreichen die Energiedifferenzen der inneren Schalen typische Werte für Röntgenstrahlen, was zu den Linien im charakteristischen Spektrum führt.

Hochenergetische Erzeugung

Neben den beschriebenen direkten Beschleunigern (wie der Coolidge-Röhre) wurden komplexere Geräte entwickelt (Linearbeschleuniger, Synchrotrons etc.), die geladenen Teilchen wesentlich höhere Energien verleihen können. Daher kann die durch diesen Kollisionsprozess erzeugte Strahlung äquivalente Energiewerte erreichen. Es gibt somit keine feste obere Grenze für die Energie dieser Strahlung, aber üblicherweise spricht man von Röntgenstrahlen im Bereich von einigen zehn bis hundert Kiloelektronenvolt (keV).