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Wie funktioniert ein Röntgengerät?

In einem Röntgengerät befindet sich eine sogenannte Röntgenröhre, in der durch hoch energetische Elektronenprozesse Röntgenstrahlung erzeugt wird.

Zum Aufbau einer Röntgenröhre (Vereinfacht):

Im Grunde befindet sich an einem Ende der Röntgenröhre eine elektrisch geheizte Kathode mit deren Hilfe Elektronen mit hoher kinetischer Energie freigesetzt werden.(Man spricht auch von einer Glühkathode). Wie funktioniert das???

Eine Kathode ist negativ geladen, da Sie Kationen (positiv geladene Teilchen) anzieht. Für die negative Ladung der Kathode ist selbstverständlich ein Elektronenüberschuss verantwortlich, welcher durch anlegen einer entsprechenden Spannung erzeugt wird. Da die Kathode elektrisch geheizt wird bzw. zum „glühen“ gebracht wird, wird den Elektronen thermische Energie zugeführt, was schließlich zur Folge hat, dass deren kinetische Energie zunimmt. Letztendlich reicht irgendwann die kinetische Energie der Elektronen aus, um sich aus der (Metall-)Gitterstruktur der Kathode zu lösen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Glühemission.

Am anderen Ende der Röntgenröhre befindet sich ein Anode, welche positiv geladen ist und somit die frei gewordenen bzw. die von der Glühkathode emittierten negativ geladenen Elektronen anzieht. Mit anderen Worten werden die Elektronen zur Anode hin beschleunigt. (Erneute Zunahme der kinetischen Energie der Elektronen). Was passiert wohl wenn die beschleunigten Elektronen auf die Anode treffen??

Beim Auftreffen der Elektronen auf die Anode werden diese stark abgebremst. Es wirkt somit eine Bremsbeschleunigung.

Nun gilt gemäß der klassischen Elektrodynamik, dass beschleunigte Ladungen (hier: Elektronen) Energie in Form von elektromagnetischen Wellen (bzw. Photonen) abstrahlen. Dementsprechend entsteht bei der Bremsbeschleunigung der Elektronen, Strahlung (man spricht auch von Bremsstrahlung), welche ausgesendet wird. Die Energie dieser Strahlung liegt etwa zwischen 100eV und 250eV, was dem Energiespektrum von Röntgenstrahlung entspricht. (Das erzeugte Röntgenspektrum ist dabei kontinuierlich, d.h. es treten alle Energien zwischen 100eV und 250eV gleich wahrscheinlich auf).

Ein anderer Vorgang, der ebenfalls Röntgenstrahlung erzeugt und in Röntgenröhren ausgenutzt wird, sind hoch energetische Übergänge in den Elektronenhüllen von Atomen oder Molekülen. D.h. ein Elektron wird durch Energiezufuhr von einer niedrigeren Schale auf eine höher gelegene Schale angeregt. Beim „Zurückfallen“ auf die niedrigere Schale gibt das Elektron dann die Energie in Form von elektromagnetischen Wellen (bzw. Photonen) ab. Die so entstehende Röntgenstrahlung wird als Charakteristische Röntgenstrahlung bezeichnet und weißt ein Linienspektrum auf.

Durch einen Spalt in der Röntgenröhre kann die so erzeugte Röntgenstrahlung austreten und irgendwelche Menschen mit Knochenbrüchen oder Kristalle (Röntgenbeugung) bestrahlen. :)