Röntgenstrahlung - was genau ist das?

Ausführliche Erklärung (der Charakteristischen Strahlung)

  Die Entdeckung:  
  Woran arbeitete Röntgen eigentlich?  
  Der Versuch am 8. November 1895  
  Die rätselhaften neuen Strahlen  
  Was sind Röntgenstrahlen?  
  Physiker ratlos!?!  
  Comic in Vorbereitung!  
  Zwei Arten von
Röntgenstrahlung 		  
  Charakteristische Strahlung   
  Bremsstrahlung  
  Eigenschaften der Röntgenstrahlung  
  Reaktionen:  
  In der Gesellschaft  
  In der Medizin   
  In der Physik   

Charakteristische Strahlung entsteht allgemein, wenn man mit Elektronen auf einen Stoff schießt. Dieser, egal welcher, besteht aus ganz vielen Atomen. Um den Ursprung der Strahlung zu verstehen, sind daher gewisse Grundkenntnisse über den Aufbau eines Atoms notwendig. Du kannst Dir ein Atom wie einen Verkehrskreisel mit einer Statue in der Mitte vorstellen, natürlich nur bildlich und viel viel kleiner. Es fahren nun viele Autos immer um die Statue rum, ohne jemals abzubiegen (der Kreisel ist sozusagen geschlossen).
Die Statue repräsentiert den Atomkern (bestehend aus Neutronen und Protonen, doch müssen wir darauf jetzt nicht näher eingehen). Der ist im Vergleich zur Hülle, den Fahrbahnen, viel kleiner (10000 mal). Leider kann man das nicht so einfach darstellen, versuch einfach, es im Hinterkopf zu behalten. Die verschiedenen Fahrbahnen repräsentieren "Schalen" bestimmter "Energieniveaus", auf denen sich die Elektronen, hier in Form von Autos, bewegen. Auf jede Fahrbahn paßt nur eine bestimmte Anzahl von Autos. Auf die innerste (auch K-Schale genannt) passen 2, auf die nächste 6 (L-Schale), dann 10 (M),18 ... Es hängt von der Art des Materials ab, wieviele Elektronen auf Atombahnen bzw. Autos auf den Fahrbahnen des Kreises fahren. Es werden die Schalen von innen anfangend mit Elektronen besetzt bis die für das Material typische Anzahl verbraucht ist. Es ist also nichts Ungewöhnliches, wenn die erste Schale voll ist, auf der zweiten aber nur 3 der 6 möglichen sitzen (auf den weiteren natürlich keine mehr).

Wie schon gesagt, sind diesen Schalen Energieniveaus zugeordnet. Auf der innersten Schale sitzen die Elektronen mit der niedrigsten Energie. Sie sind stark an den Atomkern gebunden und besitzen damit die höchste Bindungsenergie. Nach außen hin nimmt ihre Energie zu. Sie sind schwächer an den Atomkern gebunden und besitzen damit eine niedrigere Bindungsenergie. Die Bindungsenergie könnte man in unserem Beispiel mit der PS-Zahl eines Autos vergleichen. Es würden z.B. auf der inneren Fahrbahn 2 Porsches fahren, in der nächsten Mercedes, dann VW, und so geht es weiter bis zum Trabi.
Das war es dann eigentlich auch schon mit dem Atommodell. Wenn Ihr bitte im Hinterkopf behaltet, dass der Maßstab (siehe oben) falsch ist und dass die Kreisbahnen nicht so ordentlich angeordnet sind (eher elipsenförmig und 3-dimensional), habt Ihr jetzt hoffentlich eine genügend gute Vorstellung von einem Atom. Ein Material besteht aus abertausenden dieser Atome. Bei Festkörpern sind diese in einem regelmäßigen Gitter angeordnet.

Nun aber zurück zur charakteristischen Strahlung. Sie entsteht dadurch, dass die Elektronen, die auf das Material geschossen werden, Elektronen aus den Bahnen der Atome herausschießen. In unserem Beispiel musst Du Dir also vorstellen, es gibt eine Zugangsstraße, auf der Autos ohne Rücksicht auf Verluste in den Kreisel hineindonnern. Trifft ein solches Auto auf eines der Autos im Kreisel, so werden sie beide ineinander verkeilt aus dem Kreisel rausfliegen. Wenn auf diese Art in einer der inneren Bahnen eine Lücke entsteht, muss ein Auto von außen nachrücken. Dabei wird Energie frei. Übertragen heißt das: die Energie, die frei wird, wenn ein Elektron von einer äußeren in eine innere Bahn springt, um das Loch des weggeschossenen Elektrons zu füllen, wird als charakteristische Röntgenstrahlung abgegeben.

Dabei entsteht Licht mit unterschiedlicher Wellenlänge, abhängig davon, aus welcher Schale ein Elektron rausflog und aus welcher Schale das Elektron kam, welches das Loch auffüllt.

Wichtig ist hierbei noch, dass die mit einer bestimmten Energie heranfliegenden Elektronen nur solche Elektronen des Atoms herausschießen können, die die gleiche oder eine niedrigere Bindungsenergie haben. Grob gesagt heißt das, dass ein Porsche nur von einem Porsche rausgeworfen werden kann, ein Trabi allerdings von einem Porsche, einem Mercedes und einem Trabi. Auch ist das Licht, das beim Auffüllen eines Loches der inneren Schale entsteht, energiereicher (kurzwelliger), als wenn es sich um ein Loch in einer der äußeren Schalen handelt.
Anhand dieser charakteristischen Strahlung kann der Physiker auf das Material zurückschließen, auf das geschossen wurde. Das liegt daran, daß jeder Stoff anders angeordnete Schalen bzw. Energieniveaus hat und damit nach Beschuß mit Elektronen ein für ihn typisches Spektrum charakteristischer Röntgenstrahlung aufweist.