Bremsstrahlung

  Bremsstrahlung ist allgemein die elektromagnetische Strahlung, die entsteht, wenn ein geladenes Teilchen beschleunigt, gebremst oder abgelenkt wird.

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Die kinetische Energie des Teilchen wird dabei (ausgelöst durch starke Geschwindigkeitsänderungen) in elektromagnetische Strahlung umgewandelt.

Jede starke Geschwindigkeitsänderung eines geladenen Teilchen verursacht eine Abstrahlung von Photonen. Es ist unerheblich, wie und wodurch die Geschwindigkeitsänderung hervorgerufen wird.

• Eine Beschleunigung ist nur ein anderer Name für eine Geschwindigkeitsänderung.
• Ein Bremsen entspricht einer negativen Beschleunigung.
• Beim Ablenken wird die Richtung der Geschwindigkeit geändert. Das Teilchen wird dabei in Richtung des virtuellen Kreismittelpunktes beschleunigt (Zentripetalbeschleunigung).

Strahlung wird emittiert, wenn sich die Geschwindigkeit ändert, mit der sich ein Elektron einem Atom nähert. In Röntgenröhren werden dazu schwere Atome (meistens Wolfram) benutzt. Das Elektron wird langsamer, weil es durch elektrische Kräfte in einen Bogen um das Atom herum gezwungen wird und dabei Röntgenstrahlung abgibt. Nach der Aussendung der Strahlung ist das ursprüngliche Elektron verlangsamt oder bleibt sogar ganz stehen. Die Stärke der Abbremsung ist verantwortlich für die emittierte Wellenlänge. Daher auch der Name Bremsstrahlung.

Da viele Elektronen unterschiedlich stark abgelenkt bzw. abgebremst werden, entstehen Photonen mit unterschiedlichen Energien/Wellenlängen. Das Spektrum/Energieverteilung der Photonen ist deswegen kontinuierlich und breit. Bremsstrahlung hat ein kontinuierliches Spektrum.

Allerdings kann kein Elektron mehr Energie abgeben als es durch die anfängliche Beschleunigung mitbekommen hat. Im Idealfall wandelt es die gesamte kinetische Energie einmal vollständig in ein Photon um. Das ist die maximale Photonen-Energie und die Grenze im Spektrum.

Das Strahlungsspektrum sieht für verschiedene Elemente ähnlich aus. Die maximale Energie hängt von der Beschleunigungspannung ab, mit der die Elektronen in der Röhre beschleunigt werden.

In diesem kontinuierlichem Spektrum kann man aber noch einzelne Spitzen erkennen (Linienstrahlung). Diese Spitzen entstehen nicht durch das Abbremsen der freien Elektronen, sondern stammen aus den Atomen der beschossenen Elektrode.

Das Röntgenspektrum der Röntgenröhre besteht aus einer Überlagerung der kontinuierlichen Bremsstrahlung der freien Elektronen und den Linien aus dem Atom.

Diese Linien entstehen dadurch, dass schnelle freie Elektronen die gebundenen Elektronen auf der inneren Schale der Atome herausschlagen. Es entsteht dort eine Lücke. Elektronen der äußeren Atomschalen fallen in die Lücke der inneren Schale und diese Energie wird ebenfalls als Photon abgestrahlt. Da die Schalen aller gleichen Atome den gleichen Abstand haben, entstehen viele Photonen mit der gleichen Wellenlänge. Darum entstehen die Spitzen im Spektrum.

Die Positionen der Spitzen sind wie ein Fingerabdruck vom Material abhängig und werden charakteristischen Spektrallinien genannt.

Das Hauptargument für Wolfram in Röntgenröhren ist eher technischer Natur. Durch die Bombardierung mit Elektronen erhitzt sich die Anode sehr stark und Wolfram ist das Metall mit der höchsten Schmelztemperatur. Außerdem erfährt das leichte Elektron eine größere Geschwindigkeitsänderung, wenn es auf einen schweren Stoßpartner trifft.

Die meisten Elektronen die auf das Wolfram treffen, machen gar nichts besonderes – keine Bremsstrahlung, keine K-Schalen-Emission. Diese Elektronen heizen das Wolfram lediglich auf.

Spektrum einer Röntgenröhre

• Das Bremsspektrum startet bei der maximalen Energie der Elektronen (minimale Wellenlänge)
• Synchrotronstrahlung hat keine charakteristischen Linien, ist sehr intensiv und stark gerichtet (ein relativistischer hertzscher Dipol wird stark fokussiert)

In Röntgengeräten macht man sich den Effekt der Bremsstrahlung im Dienste der Medizin zu Nutze.

Die Bremsstrahlung entsteht unter anderem auch durch die im Vakuum einer Bildröhre beschleunigten Elektronen beim Auftreffen auf die Bildmaske, wenn auch nur in einem geringem Maße und großer Streuung. Bei älteren TV-Geräten oder Monitoren ist, bei Verwendung über einen längeren Zeitraum und kurzer Distanz zum Bildschirm, eine Beeinflussung der Gesundheit wahrscheinlich. Moderne Bildschirme hingegen reduzieren den Bremseffekt durch den Einsatz geringerer Beschleunigungsspannungen und höherwertige Bildmasken bei gleichzeitig effektiverer Filterung der entstehenden Röntgenstrahlung durch geeignete Schirmbleche.

Energieverlust

Der Energieverlust hochrelativistischer Elektronen durch Bremsstrahlung wird mit der 1934 erstmals veröffentlichten Bethe-Heitler-Formel (benannt nach Hans Bethe und Walter Heitler) beschrieben:

Siehe auch

• Erzeugung von Röntgenstrahlung
• Synchrotronstrahlung
• Röntgenröhre