Röntgenstrahlung

In einer speziellen Glühkathode – der Röntgenröhre – wird Röntgenstrahlung erzeugt.

Hierbei sorgen bei ausreichender Beschleunigungsspannung zwei Effekte für Strahlung im Wellenlängenbereich unter 10 nm – der Röntgenstrahlung.

 

Bremsstrahlung

Beim Abbremsen der Elektronen an der Anode kommt es zur Bremsstrahlung. Hierbei wird maximal die gesamte kinetische Energie eines Elektrons in Lichtenergie umgewandelt. Es entsteht insgesamt ein kontinuierliches Röntgen-Bremsspektrum, da unterschiedlich viel Energie in Wärme umgewandelt werden kann und so bei hoher Anzahl an Elektronen alle Frequenzen ≤ der Grenzfrequenz auftreten bzw. da die Energie in mehreren Stufen – mehreren Photonen abgegeben wird. Über die maximale Energie ergibt sich die Grenzfrequenz.

$$hf = eu$$

$$f = \frac{\text{eU}}{h}$$

Die Bremsstrahlung macht den Großteil des Gesamtstrahlung aus.

Charakteristisches Röntgenspektrum

Wird ein Elektron aus der Anode aus einer inneren Schale durch ein beschleunigtes Elektron herausgeschlagen (mindestens in die erste nicht voll besetzte Schale), so rückt ein anderes nach (es relaxiert), wobei ein Photon mit einer vom Sprung abhängigen Energie frei wird (→ neue Lücken → Kaskade). Durch die diskreten Energieniveaus der Schalen entstehen so diskrete Linien im Spektrum. Die Energie des Photons entspricht der Energiedifferenz der Schalen. Insgesamt ergeben sich so mehrere Serien nach den Buchstaben der Schalen (k, l, m, n, o, etc.), wobei zum Beispiel bei der K-Serie ein Elektron aus der K-Schale geschlagen wurde und eins in diese rückt. Diese Serien sind weiter in $\alpha,\ \beta,\ \gamma$ aufgeteilt, wobei dies ein Relaxieren aus einer Schale 1, 2 oder 3 über der Schale, aus der herausgeschlagen wurde, bedeutet.

Für die Berechnung der Serien können die Zusammenhänge für die Energieniveaus im Atom beziehungsweise das Gesetz von Moseley genutzt werden. Für die K_α-Linie ergibt sich:

$$\frac{1}{\lambda} = R \cdot \left( Z - 1 \right)^{2} \cdot \left( \frac{1}{1^{2}} - \frac{1}{2^{2}} \right) = \frac{3}{4} \cdot R \cdot \left( Z - 1 \right)^{2}$$

Z ist hierbei die Kernladungszahl, von welcher die Wellenlängen abhängig ist (und nicht von der Masse). Z wird hierbei aufgrund der abschirmenden Wirkung des in der K-Schale verbleibenden Elektrons um 1 vermindert.

Beispiel eines Röntgenspektrums