Röntgenstrahlung und ihre Erzeugung

Röntgenstrahlung ist eine Form elektromagnetischer Strahlung mit Wellenlängen zwischen 10⁻⁸ m und 10⁻¹² m. Zur Erzeugung von Röntgenstrahlung wird eine Röntgenröhre verwendet. In dieser werden Elektronen von einer Kathode zu einer Anode beschleunigt.

Vocabulary: Eine Röntgenröhre besteht aus einer Kathode (Elektronenquelle), einer Anode (Zielmaterial) und einem Vakuumgehäuse.

Es gibt zwei Hauptarten von Röntgenstrahlung:

1. Charakteristische Röntgenstrahlung: Diese entsteht, wenn ein beschleunigtes Elektron ein Elektron des Anodenmaterials auf ein höheres Energieniveau hebt. Wenn andere Elektronen auf den freien Platz zurückfallen, wird charakteristische Röntgenstrahlung emittiert.

2. Kontinuierliche Strahlung (Bremsstrahlung): Diese entsteht, wenn die beschleunigten Elektronen im Anodenmaterial abgebremst werden. Die Energie wird in Form von Röntgenphotonen abgegeben.

Highlight: Die maximale Photonenenergie der Bremsstrahlung wird durch die Beschleunigungsspannung in der Röntgenröhre bestimmt.

Das resultierende Röntgenspektrum setzt sich aus beiden Strahlungsarten zusammen und zeigt charakteristische Linien auf einem kontinuierlichen Hintergrund.

Das Moseley-Gesetz beschreibt die Energien der charakteristischen Röntgenstrahlung:

√(v) = R₁ · $Z - σ$ · $1/n₁² - 1/n₂²$

Hierbei ist R₁ die Rydberg-Konstante, Z die Ordnungszahl des Elements, σ die Abschirmkonstante und n₁, n₂ die Hauptquantenzahlen der beteiligten Elektronenschalen.

Example: Die Kα-Linie entsteht bei Übergängen von der L-Schale $n=2$ in die K-Schale $n=1$.

Die Röntgenstrukturanalyse nutzt die Bragg-Reflexion zur Untersuchung von Kristallstrukturen. Die Bragg-Bedingung lautet:

n · λ = 2d · sin(θ)

Dabei ist n die Beugungsordnung, λ die Wellenlänge der Röntgenstrahlung, d der Netzebenenabstand im Kristall und θ der Glanzwinkel.

Definition: Der Glanzwinkel ist der Winkel zwischen einfallendem Strahl und Netzebene, bei dem konstruktive Interferenz auftritt.

Durch Messung der Winkel bei bekannter Kristallstruktur kann die Wellenlänge der Röntgenstrahlung bestimmt werden. Umgekehrt lassen sich bei bekannter Wellenlänge Rückschlüsse auf die Kristallstruktur ziehen.