Röntgen

Röntgenstrålar eller röntgenstrålar är elektromagnetiska vågor med kvantenergier över cirka 100  eV , motsvarande våglängder under cirka 10  nm . Röntgenstrålar finns i det elektromagnetiska spektrumet i energiområdet över ultraviolett ljus. Av gammastrålning den skiljer av den typ av formation: gammastrålningsfotoner , genom kärnreaktioner eller radioaktivt sönderfall inträffar under röntgenstrålning till följd av hastighetsförändring av laddade partiklar.

Röntgenbilder upptäcktes av Wilhelm Conrad Röntgen den 8 november 1895 och bär hans namn i tysktalande länder såväl som i nästan hela Central- och Östeuropa. I andra språkliga områden hänvisas det ofta till med uttrycket röntgenstrålar , som ursprungligen användes av Röntgen själv . Röntgenstrålar är joniserande strålning .

DIN EN ISO 7010 W003: Varning för radioaktiva ämnen eller joniserande strålning

Klassificering i det elektromagnetiska spektrumet

Spektrumet av röntgenstrålar börjar under extrem UV-strålning vid en våglängd på cirka 10 nm (övermjuka röntgenstrålar) och sträcker sig ner till mindre än  17.00 (överhårda eller högenergiröntgenstrålar ). Energiområdena för gamma och röntgenstrålar överlappar i ett brett område. Båda typerna av strålning är elektromagnetisk strålning och har därför samma effekter med samma energi.

Strålningsspektrumet som genereras i röntgenrör (se nedan) är en superposition av ett kontinuerligt och ett diskret spektrum. Positionen för den maximala intensiteten beror på rörets spänning. Minsta våglängd kan beräknas med hjälp av Duane-Hunts lag . Fotoner från röntgenrör har en energi på cirka 1 keV till 250 keV, motsvarande en frekvens på cirka 0,25 · 10 18  Hz till 60 · 10 18  Hz ( Exa - Hertz ). Inom kortvågsområdet finns ingen enhetlig definition av avbrottsvåglängden. Det finns dock tekniska gränser för generering av kortare vågor.

generation

Generering av elektroner

Feynman-diagram över bremsstrahlunggenerering (tid från vänster till höger): en elektron sprids nära en atomkärna, tappar energi och genererar en röntgenkvant i processen. Kärnans närhet är nödvändig för att få momentum.
Skapande av den karakteristiska röntgenstrålningen: en elektron har avlägsnats från K-skalet (t.ex. genom en elektronpåverkan), en elektron från L-skalet faller in i hålet i K-skalet; energiskillnaden avges som röntgenstrålar.

Röntgenstrålar produceras genom två olika processer:

Båda effekterna utnyttjas i röntgenröret , där elektroner först accelereras från ett glödtråd ( katod ), de släpper inte ut några röntgenstrålar eftersom accelerationen inte är tillräckligt stor och träffar sedan anoden , som är utformad som ett metallblock , där de bromsas kraftigt. Detta skapar röntgenstrålar som bremsstrahlung med totalt cirka 1% av den utstrålade energin och värmen på cirka 99%, som försvinner av kylanordningar vid anoden. Dessutom slår elektronstötar ut elektroner ur metallatomernas skal. Hålen i skalen fylls av andra elektroner, vilket skapar karakteristiska röntgenstrålar.

Idag är anoderna mestadels gjorda av keramik , där de elektroner som träffas är gjorda av metaller som molybden , koppar eller volfram .

En annan källa till röntgenstrålar är cykliska partikelacceleratorer , särskilt för accelerationselektroner. När partikelstrålen avböjs i ett starkt magnetfält och därigenom accelereras tvärs för dess förökningsriktning, skapas synkrotronstrålning , en typ av bremsstrahlung . Synkrotronstrålningen hos en avböjningsmagnet innehåller ett brett elektromagnetiskt spektrum upp till en maximal energi . Med lämpligt valda parametrar (magnetfältets styrka och partikelenergi) representeras också röntgenstrålar. Dessutom kan synkrotronsystem också generera monoenergetiska röntgenstrålar med hjälp av undulatorer , som består av periodiska arrangemang av starka magneter.

Röntgenstrålning är inneboende i principen och är mestadels oönskad i olika tekniska anordningar som elektronmikroskop , elektronstrålesvetsanordningar och inom intervallet för effektnivåer för stora radarsystem , där elektronrör som magnetron eller amplitron används att generera höga nivåer av icke-joniserande strålning och även avge röntgenstrålar under drift. Ytterligare tekniska källor av endast historisk betydelse var de första färg -tv -mottagarna från 1960 -talet med katodstrålerör , eftersom färgbildrör kräver högre anodspänningar än monokroma katodstrålerör.

Generering av protoner eller andra positiva joner

Karaktäristiska röntgenstrålar produceras också när snabba positiva joner bromsas i materia. Detta används för kemisk analys vid partikelinducerad röntgenemission eller protoninducerad röntgenemission ( PIXE ). Vid höga energier, den tvärsektion är för generering proportionell till Z 1 2 Z 2 -4 , där Z 1 är den atomnummer jonen (som en projektil ), Z 2 att av målet atom. Samma publikation ger också en översikt över tvärsnitt för generation.

Naturliga röntgenstrålar

Röntgenstrålar som genereras på andra himlakroppar når inte jordens yta eftersom de är skyddade av atmosfären. Den röntgen astronomi undersöker sådana utomjordiska röntgenstrålar genom användning av röntgen satelliter såsom Chandra och XMM-Newton .

På jorden produceras röntgenstrålar med låg intensitet under absorptionen av andra typer av strålning, som härrör från radioaktivt sönderfall och kosmisk strålning. Röntgenstrålar produceras också i blixtar och förekommer tillsammans med markbundna gammastrålningsblixtar . Den bakomliggande mekanismen är accelerationen av elektroner i ett blixtens elektriska fält och den efterföljande produktionen av fotoner genom bremsstrahlung . Detta skapar fotoner med energier från några keV till några MeV. Forskning pågår om detaljerna i processerna där röntgenstrålar genereras i sådana elektriska fält.

Interaktion med materia

Den brytningsindex för materia för röntgen avviker endast obetydligt från 1. Som ett resultat är en enda röntgenlins bara svagt fokuserad eller defokuserad och en linsbunt krävs för en starkare effekt. Vidare reflekteras knappast röntgenstrålar vid icke-betande förekomst. Ändå har man hittat sätt inom röntgenoptik för att utveckla optiska komponenter för röntgenstrålar.

Röntgenstrålar kan tränga igenom materia. Det försvagas i olika grad beroende på tygtyp. Dämpningen av röntgenstrålarna är den viktigaste faktorn vid radiologisk avbildning . Den intensitet hos röntgenstrålen tar till Lambert-Beers lag med avståndet i materialbanan exponentiellt ( ), varvid absorptionskoefficienten är materialberoende och är approximativt proportionell mot ( : ordningstal , : våglängd ).

Den absorption sker genom foto absorption , Comptonspridning och, med hög fotonenergier, parbildning .

  • Vid fotoabsorption slår fotonen ut en elektron ur elektronskalet i en atom. En viss minimienergi är nödvändig för detta, beroende på elektronskalet . Sannolikheten för denna process som en funktion av fotonenergin stiger plötsligt till ett högt värde när minimienergin uppnås ( absorptionskant ) och minskar sedan kontinuerligt igen vid högre fotonenergier, upp till nästa absorptionskant. "Hålet" i elektronskalet fylls igen av en elektron från ett högre skal. Detta skapar fluorescensstrålning med låg energi .
  • Förutom starkt bundna elektroner som vid fotoabsorption kan en röntgenfoton också spridas av obundna eller svagt bundna elektroner. Denna process kallas Compton -spridning . Som ett resultat av spridningen upplever fotonerna en förlängning av våglängden som är beroende av spridningsvinkeln med en fast mängd och därmed en energiförlust. I förhållande till fotoabsorption kommer Compton -spridning bara fram i tiden med höga fotonenergier och särskilt med ljusatomer.

Fotoabsorption och Compton -spridning är oelastiska processer där fotonet tappar energi och så småningom absorberas. Dessutom är elastisk spridning ( Thomson -spridning , Rayleigh -spridning ) också möjlig. Den spridda fotonen förblir sammanhängande med händelsen och behåller sin energi.

  • Vid energierna ovan förekommer också elektron-positronparning. Beroende på materialet är det den dominerande absorptionsprocessen från cirka 5 MeV.

Biologisk effekt

Röntgen av vänster hand av en 10-åring med sex fingrar ( hexadactyly )

Röntgenstrålar joniserar . Som ett resultat kan det orsaka förändringar i den levande organismen och orsaka skador, inklusive cancer . Därför strålningsskydd måste följas när det handlar om strålning . Underlåtenhet att iaktta detta faktum ledde till exempel till militär personal som arbetade med otillräckligt skärmade radaranordningar från 1950-talet till 1980-talet , eftersom enheterna också avgav röntgenstrålar som en biprodukt (se: Hälsoskador orsakade av militära radarsystem ). Det finns ett motsvarande uttalande från Medical Expert Advisory Board on “Occupational Diseases” vid det tyska federala arbets- och socialministeriet.

Den känsliga strukturen för utveckling av cancer är det genetiska materialet ( DNA ). Det antas att skadan ökar linjärt med dosen, vilket innebär att även en mycket liten dos strålning medför en risk som inte är noll för att orsaka cancer. Denna risk måste vägas mot fördelarna med medicinsk diagnos eller behandling med röntgen.

bevis

  • Luminescens effekt . Röntgenstrålar stimulerar vissa ämnen att avge ljus ("fluorescens"). Denna effekt används också vid radiologisk avbildning. Medicinska röntgenfilmer innehåller vanligtvis en fluorescerande film som avger ljus när en röntgenfoton träffar den och exponerar den omgivande ljuskänsliga fotoemulsionen.
  • Fotografisk effekt . Röntgen, precis som ljus, kan direkt svarta fotografiska filmer. Utan en fluorescerande film krävs en intensitet som är cirka 10 till 20 gånger högre. Fördelen ligger i den skärpta bildens större skärpa.
  • Individuella röntgenfotoner detekteras med scintillationsräknare eller Geiger-räknare .
  • I halvledardioder ( halvledardetektorer ) genererar röntgenfotonerna elektronhålspar inom halvledaren, som är separerade i rymdladdningszonen. Detta skapar en liten ström, vars styrka är proportionell mot energin och intensiteten hos de infallande röntgenstrålarna. Bildsensorer är också tillverkas, till exempel som ett alternativ till medicinska röntgenfilminspelningar.

Synlighet för det mänskliga ögat

I motsats till vad många tror, ​​kan det mänskliga ögat delvis uppfatta röntgenstrålar. Strax efter Röntgens upptäckt 1895 rapporterade Brandes om ett svagt, blågrått sken som tycktes uppstå i själva ögat när det befann sig i ett mörkt rum nära ett röntgenrör. Roentgen fann då att han också hade observerat denna effekt. Först hade han trott att det var hans fantasi, eftersom effekten bara producerades av det starkaste röntgenröret och han hade därför bara märkt det en gång.

Vetskapen om att röntgenstrålar kan uppfattas med blotta ögat, anpassat efter mörkret, glöms till stor del idag. Anledningen till detta är sannolikt att experimentet nu anses vara onödigt farligt och skadligt. Den exakta mekanismen för uppfattning är inte klar. Det normala sättet är möjligt via excitation av näthinnan , en direkt excitation av synnerven eller till exempel att röntgenstrålarna orsakar fosforescens i ögongloben och då uppfattas "normalt" ljus.

År 1919 var Julius Edgar Lilienfeld den första som beskrev en gråvit strålning som var synlig för det mänskliga ögat vid anoden av röntgenrör, " liljefältstrålningen " uppkallad efter honom . Dess ursprung kunde bara förklaras under senare år som en form av övergångsstrålning .

Ansökningar

Röntgen av höger höft, benfraktur fixerad med perforerade plåtlistar och försänkta skruvar av metall, kirurgisk sutur fastspänd
Röntgenspektrograf som används av William Lawrence Bragg för att undersöka kristaller

Människokroppen kan screenas med röntgen, varvid särskilt ben, men också inre organ med moderna anordningar, blir synliga (se även röntgen ). Detta utnyttjar det faktum att elementet kalcium , som förekommer i ben, har ett betydligt högre atomnummer med Z = 20 än de element som mjukvävnaderna huvudsakligen består av, nämligen väte ( Z = 1), kol ( Z = 6 ), kväve ( Z = 7) och syre ( Z = 8). Förutom konventionella apparater som producerar en tvådimensionell projektion används även datortomografer som möjliggör en rumslig rekonstruktion av kroppens insida.

Röntgen kan också användas för att bekämpa cancer genom att rikta mot cancercellerna som jag. A. är mer känsliga för strålning än den omgivande vävnaden, skadad av riktad strålning under strålbehandling .

Fram till utvecklingen av de första antimykotika behandlades också svampinfektioner i huden med röntgenstrålar (se även ringormaffär ).

Inom materialfysik , kemi , biokemi , kristallografi och andra vetenskaper används röntgendiffraktion för strukturbelysning i vid bemärkelse, t.ex. B. för att undersöka strukturen eller för den faktiska kristallstrukturanalysen . Ett välkänt exempel är belysningen av DNA- strukturen . Med hjälp av röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS) kan elementets sammansättning av ett prov undersökas. Dessutom erbjuder XPS möjligheten att undersöka kemiska bindningar.

Dessutom kan en ämnes grundkomposition bestämmas med röntgenstrålar. Ämnet som ska analyseras bestrålas med elektroner i en elektronstråle-mikroprobe (eller motsvarande i ett elektronmikroskop ), varefter atomerna joniseras och avger karakteristiska röntgenstrålar. Röntgen kan också användas istället för elektroner. Sedan talar man om röntgenfluorescensanalys (XRF).

Upptäcktshistoria

Wilhelm Conrad Röntgen, upptäckare av strålarna uppkallade efter honom
Särskild stämpel för Röntgens 150-årsdag och upptäckten av röntgenstrålar

Wilhelm Conrad Röntgen anses vara upptäckaren av strålarna som nu är uppkallade efter honom i den tysktalande världen, även om det är säkert att andra före honom producerade röntgenstrålar. I rören som utvecklats av Johann Hittorf och William Crookes , som Röntgen också använde för sina experiment, genereras röntgenstrålar som upptäcktes i experiment av Crookes och från 1892 av Heinrich Hertz och hans student Philipp Lenard genom att svartna fotografiska plattor, men utan uppenbarligen att vara tydlig med betydelsen av upptäckten. År 1881 utvecklade Johann Puluj en självlysande lampa, senare känd som Puluj-lampan, som var en prototyp av ett röntgenrör. Även Nikola Tesla experimenterade från 1887 med katodstrålerör och genererade därigenom röntgenstrålar, men publicerade inte sina resultat.

Den första observationen av röntgenstrålar av Wilhelm Conrad Röntgen ägde rum vid Fysikinstitutet vid Julius Maximilians universitet i Würzburg sent på fredagskvällen den 8 november 1895, då - som han själv beskrev det - "det inte fanns fler underdåniga andar i huset". Bara sju veckor senare, den 28 december 1895, lämnade han in ett papper för publicering under titeln: About a new kind of rays . Han upptäckte strålningen när han observerade fluorescerande föremål nära röret under katodstrålerörets funktion, som började lysa starkt trots att röret var täckt (med svart kartong). Röntgens prestation är att tidigt ha insett vikten av de nyupptäckta strålarna och att ha varit den första som vetenskapligt undersökt dem. Röntgenbilden av hans frus hand, som han illustrerade i sin första publikation om röntgenstrålar, bidrog säkert till Röntgens berömmelse. Efter Röntgen hade skickat sitt arbete på en ny typ av strålning till kollegor och vänner på 1 Januari 1896 , inklusive Wien fysiker och chef för II. Fysikalisk Institute vid universitetet i Wien Franz Exner , varifrån Prag fysikern Lechner på The Nyheter den 4 januari publicerades den 5 januari i den wienska dagstidningen Die Presse , redigerad av Lechners pappa. En anställd på dagstidningen uppmärksammade artikeln från den wiensiska representanten för Daily Chronicle och han telegraferade den omedelbart till London. Från London på kvällen den 6 januari telegraferades nyheten om Röntgens (eller "Professor Routgens") upptäckt världen över, den 7 januari tryckte London Standard ut sin rapport om "fotografisk upptäckt" och den 8 januari publicerades detta kabelmeddelande på amerikanska tidskrifter. Detaljerade rapporter dök också upp i Frankfurter Zeitung den 7 och 8 januari. Den 9 januari publicerades en anteckning om händelserna i en Würzburg -tidning (oprecist och utan Röntgens medgivande), som låg till grund för ytterligare tidningsrapporter. I mitten av januari rapporterades många andra experiment med katodstrålerör i tabloid- och specialistpressen. I mars 1897 publicerade Röntgen sitt tredje meddelande. Vid denna tidpunkt bevisades orsakssambandet mellan katodstrålar och röntgenstrålar samt ursprunget för röntgenstrålar i de tunna Hertz-Lenard-metallfolierna i Lenardröret. Röntgen hedrades med det första nobelpriset i fysik 1901 , med Nobelpriskommittén som betonade den praktiska betydelsen av upptäckten.

Namnet röntgenstrålar går tillbaka till anatomisten Albert von Kölliker , som den 23 januari 1896 föreslog namnet "röntgenstrålning". Tillfället var Röntgens första offentliga föreläsning om hans upptäckt, på inbjudan av Physico-Medical Society i Würzburg som grundades av Kölliker och leddes av Karl Bernhard Lehmann . I vissa språkområden fanns namnet röntgenstrålar (till exempel engelska röntgenstrålar ), som introducerades av Röntgen själv, kvar .

Den 26 mars 1896 hade polisen, som begärde tillstånd för en föreläsning planerad i Wien med "Experiment med röntgen", oro över användningen av röntgenstrålar. Röntgenstrålarnas natur som elektromagnetiska vågor bevisades 1912 av Max von Laue .

Relaterade ämnen

litteratur

webb-länkar

Wiktionary: Röntgenstrålning  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar
Commons : Röntgen  - samling av bilder, videor och ljudfiler

Individuella bevis

  1. ↑ Helmut Paul , Johannes Muhr: Granskning av experimentella tvärsnitt för K-skal-jonisering av ljusjoner. Physics Reports 135 (1986), s. 47-97. - abstrakt
  2. ↑ Köhn, C., Ebert, U. Vinkelfördelning av Bremsstrahlung-fotoner och positroner för beräkningar av markbundna gammastrålblixter och positronstrålar. Atmosfär. Res. (2014), vol. 135-136, sid. 432-465
  3. ^ Köhn, C., Ebert, U. Beräkning av strålar av positroner, neutroner och protoner associerade med markbundna gammastrålblixter. J. Geophys. Res. Atmos. (2015), vol. 120, s. 1620-1635
  4. ↑ Kochkin, P., Köhn, C., Ebert, U., van Deursen, L. Analysera röntgenutsläpp från mätskaliga negativa utsläpp i omgivande luft. Plasma sur. Sci. Technol. (2016), vol. 25, 044002
  5. ↑ Cooray, V., Arevalo, L., Rahman, M., Dwyer, J., Rassoul, H. Om möjliga ursprung för röntgenstrålar i långa laboratoriegnistor. J. Atmos. Sol. Terr. Phys. (2009), vol. 71, s. 1890-1898
  6. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Neubert, T. Elektronacceleration under streamer -kollisioner i luft. Geofys. Res. Lett. (2017), vol. 44, sid. 2604-2613
  7. ^ Marode, E., Bastien, F., Bakker, M. En modell av streameren inkluderade gnistbildning baserad på neutral dynamik. J. Appl. Phys. (1979), vol. 50, s. 140-146
  8. ^ Köhn, C., Chanrion, O., Babich, LP, Neubert, T. Streameregenskaper och tillhörande röntgenstrålar i störd luft. Plasma sur. Sci. Technol. (2018), vol. 27.015017
  9. ↑ C. Köhn, O. Chanrion, T. Neubert: Hög energiutsläpp inducerade av luftdensitetsfluktuationer av utsläpp. I: Geofysiska forskningsbrev. 45, 2018, s. 5194, doi: 10.1029 / 2018GL077788 .
  10. ↑ Manfred von Ardenne: elektronmikroskopifysik · teknik · resultat . Springer-Verlag, 2013, ISBN 978-3-642-47348-7 , s. 127 ( begränsad förhandsvisning i Google boksökning).
  11. ↑ Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 3 . 3. Utgåva. Springer, Berlin / Heidelberg 2005, ISBN 3-540-21473-9 , s. 243 (se särskilt Fig. 7.33 i versionen av Google Books).
  12. ↑ Vetenskapligt uttalande om sjukdomar orsakade av joniserande strålning (PDF)
  13. ↑ H. Schober: Den direkta uppfattningen av röntgenstrålar av människans visuella sinne . I: Visionforskning . tejp 4 , nej. 3-4 , 1964, sid. 251-269 , doi : 10.1016 / 0042-6989 (64) 90007-0 .
  14. ↑ Julius Edgar Lilienfeld : Brennecks synliga strålning från röntgenrör . I: Physikalische Zeitschrift . 20, nr 12, 1919, s. 280 ff.
  15. ↑ H. Boersch, C. Radeloff, G. Sauerbrey: Om den synliga och ultravioletta strålningen som frigörs på metaller av elektroner . I: Journal of Physics . tejp 165 , nr. 4 , 1961, sid. 464-484 , doi : 10.1007 / BF01381902 .
  16. ↑ H. Boersch, C. Radeloff, G. Sauerbrey: Experimentell detektion av övergångsstrålning . I: Physical Review Letters . tejp 7 , nej. 2 , 15 juni 1961, sid. 52-54 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.7.52 .
  17. ^ WC Roentgen: Om en ny typ av strålar . (Preliminärt meddelande.) I: Från mötesrapporterna från Würzburger Physik.-medic. Society , Würzburg 1895 ( Wikisource )
  18. ^ Röntgenmonument i Würzburg
  19. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Ett liv i vetenskapens tjänst. En dokumentation med en vetenskaplig uppskattning av Walther Gerlach . Franconian Society Printing Office, Würzburg 1970, s. 12-16.
  20. ↑ Erich Pirker (†): Gustav Kaiser (1871–1954) och Eduard Haschek (1875–1947): Två pionjärer inom medicinsk radiologi. Ett bidrag till verifieringen av ett kontroversiellt datum. I: Würzburg sjukdomshistoriska rapporter. Volym 13, 1995, s. 97-107, här: s. 97 och 103-105.
  21. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Ett liv i vetenskapens tjänst. 1970, s. 56.
  22. ↑ Werner E. Gerabek : Wilhelm Conrad Röntgen och hans upptäckt av röntgenstrålar. I: Würzburg sjukdomshistoriska rapporter. Volym 13, 1995, sid. 87-96; här: s. 91.
  23. ^ Heinz Otremba: Wilhelm Conrad Röntgen. Ett liv i vetenskapens tjänst. 1970, s. 30.
  24. ↑ Max von Laue: Störningsfenomen i röntgenstrålar. Teoretisk del av M. Laue, experimentell del av W. Friedrich och P. Knipping. Presenterades av Arnold Sommerfeld vid mötet i den bayerska vetenskapsakademien den 8 juni 1912 .
  25. ^ Heinz Otremba, Walther Gerlach : Wilhelm Conrad Röntgen. Ett liv i vetenskapens tjänst. 1970, s. 62-71.