Elektromagnetische Schwingungen - insbesondere Röntgenstrahlung

Inhalt

1. Strahlung Einordnung und Begriffserklärung

2. Elektromagnetische Strahlung
2.1. Radiowellen
2.2. Mikrowellen
2.3. Wärmestrahlung (Infrarot)
2.4. Licht
2.5. UV-Licht
2.6. Röntgenstrahlen
2.6.1. Entdeckungsgeschichte
2.6.2. Bedeutung
2.6.3. Erzeugung
2.6.4. Wechselwirkung mit Materie
2.6.5. Biologische Wirkung
2.6.6. Nachweis
2.6.7. Anwendung der Röntgenstrahlung
2.6.8. Röntgenstrahlung und Schwarze Löcher
2.6.9. Natürliche Röntgenstrahlung

3. Radioaktive Strahlung
3.1.1. Alphastrahlen
3.1.2. Bettastrahlen
3.1.3. Gammastrahlen

4. Teilchen- oder Korpuskular-Strahlung

5. Abschlussbetrachtung

6. Literaturverzeichnis

7. Webverzeichnis

1. Strahlung Einordnung und Begriffserklärung

Als Strahlung bezeichnet man in der Physik sich ausbreitende Wellen oder Elementarteilchen. Im ersten Fall spricht man von Wellenstrahlung, im zweiten von Korpuskular- oder Elementarstrahlung. Elementarteilchen sind die kleinsten bekannten Bausteine der Materie. Ihre Eigenschaften lassen sich nicht anschaulich beschreiben, da sie aufgrund ihrer geringen Größe quantenmechanischen Gesetzmäßigkeiten gehorchen.

Eine Welle ist im Sinne der Physik eine Art der Energieausbreitung. Sobald ein Raumpunkt zwei Energieformen annehmen kann, die sich zyklisch ineinander umwandeln können, kann er als Oszillator aufgefasst werden. Wenn also benachbarte Raumpunkte dieselbe Fähigkeit aufweisen und eine Kopplung zwischen den beiden Oszillatoren besteht, dann wird die Energie zum nächsten Oszillator transferiert und weiter zu einem dritten usw. Dieses Phänomen nennt man Welle.

In der historische Debatte, ob Lichtstrahlen aus Wellen oder Teilchen bestehen, wurde durch die Quantentheorie dahingehend beantwortet, dass ein Lichtstrahl aus Photonen besteht, welche wiederum Welleneigenschaften (z.B. Interferenz) zeigen. Verallgemeinernd kann man durch die Quantenphysik begründen, dass alle Strahlung sowohl Teilchencharakter als auch Wellencharakter haben. Diesen Umstand wird als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet. Allerdings tritt in bestimmten Bedingungen in der Regel eine der beiden Charakteristiken deutlicher hervor. Strahlungen transportieren immer erstens Energie und zweitens Impuls, d.h. sie hat eine bestimmte Richtung. Falls die Strahlungsteilchen Ladung, Masse oder andere Eigenschaften besitzen, werden auch diese transportiert.

Trifft die Strahlung auf ein Hindernis wird sie entweder reflektiert (zurückgeworfen), transmittiert (hindurchgelassen) oder absorbiert (verschluckt).

2. Elektromagnetische Strahlung

Elektromagnetische Strahlung ist uns in unserer natürlichen und technischen Umwelt in verschiedenen Formen bekannt.

Röntgen- und Wärmestrahlung, sichtbares- und UV-Licht gehören ebenso zum elektromagnetischen Spektrum wie Radio- und Mikrowellen oder die elektrischen und magnetischen Felder. Physikalisch unterscheiden sich diese verschiedenen Strahlungen lediglich durch ihre Frequenz.

Elektromagnetische Strahlungen werden zergliedert in ionisierende und nichtionisierende Strahlung.

Ionisierende Strahlung, wie Gamma- und Röntgenstrahlung, besitzt genügend Energie, um Atome und Moleküle von Lebewesen zu ionisieren, zu verändern. Nichtionisierende Strahlung hingegen besitzt dafür nicht genügend Energie. Zu ihr gehören die UV-Strahlung, das sichtbare Licht, Wärmestrahlung, Hochfrequenz-Strahlung und niederfrequente elektrische und magnetische Felder.

Die Hochfrequenz-Strahlung umfasst den Frequenzbereich von 30 kHz bis 300 GHz, wobei das elektrische und das magnetische Feld der Strahlung aneinander gekoppelt sind und die Welle sich frei im Raum ausbreiten kann. Diese Eigenschaft wird beim Rundfunk und Fernsehen oder der mobilen Telekommunikation genutzt, um Informationen drahtlos zu übertragen. Zur hochfrequenten Strahlung gehören neben Radio-, Tv-, Mobilfunk- auch Radar- und Mikrowellen.

Im Bereich von 0 Hz bis 30 kHz sind niederfrequente elektrische und magnetische Felder vorzufinden, wobei eher von Feldern als von Strahlung gesprochen werden muss. Das elektrische Feld ist vom magnetischen entkoppelt. Beispiele wären die Anlagen der Stromversorgung als auch Transformation, Eisenbahnfahrleitungen oder Hochspannungsleitungen.

2.1. Radiowellen

Radiowellen liegen in einem Frequenzbereich von 75 kHz bis etwa 10 GHz und werden für die Übertragung von Sprache und anderen Daten z.B. für Funk und Fernsehen verwandt. Radiowellen entstehen auch auf natürliche Weise und werden nicht durch Wolken in der Erdatmosphäre blockiert.

So liegen z.B. einige der von der Radioastronomie untersuchten Frequenzen im Bereich der Radiowellen.

In der Medizin wird mittels der Magnetresonanztomographie (MRT, Kernspintomographie) ein Bild zur Darstellung von inneren Organen und Geweben erzeugt. Ihr Prinzip beruht auf der Verwendung von Magnetfeldern und Radiowellen.

„Unter dem Einfluss eines starken Magnetfelds – die zu untersuchende Person liegt in einem großen zylinderförmigen Magneten – werden die Wasserstoff-Atomkerne des Körpergewebes in einen bestimmten Energiezustand und eine bestimmte Richtung gebracht. Dies ist mit der Ausrichtung einer Kompassnadel vergleichbar. Durch einen Hochfrequenzimpuls (Radiowellen) kann die "Kompassnadel" anschließend aus ihrer zunächst aufgezwungenen Position ausgelenkt werden und schwenkt dann nach Abschalten des Impulses wieder zurück. Die dabei entstehenden elektromagnetischen Signale lassen sich messen und zu einer Serie von Schichtbildern verarbeiten.“ [2]

2.2. Mikrowellen

Die Wellenlänge von Mikrowellen liegt im Bereich zwischen 1mm und 30cm liegt. Sie werden in der Radartechnik oder im Mikrowellenherd eingesetzt.

2.3. Wärmestrahlung (Infrarot)

Heiße Körper geben aufgrund ihrer Temperatur Wärme- oder Infrarotstrahlung ab. Bei einer Wellenlänge zwischen 780 nm und 1 mm (= 1.000.000 nm) spricht man von elektromagnetischer Strahlung, die z. B. in der Thermographie zur Erzeugung von Wärmebildern Verwendung findet. Aufgrund der zu starken Absorption sollten optische Elemente, wie z. B. Prismen, Fenster und Linsen nicht aus Glas bestehen, sondern aus Quarz. Strahlung, deren Wellenlänge kürzer ist als die des Infrarotlichtes ist, wird Mikrowellenstrahlung genannt. Zur Expansion von Wärmestrahlung wird kein Trägermedium benötigt. So erreicht die Wärme der Sonne die Erde durch das Vakuum des Weltalls. Infrarotstrahlung ist mittels eines Thermometers nachweisbar.

Neben Wärmeleitung und Konvektion ist Wärmestrahlung die Form der Wärmeausbreitung, welche die geringste Wärmeleistung transportiert. So gibt ein Heizkörper mehr Energie an vorbeiströmende Luft ab, als durch direkte Strahlung.

2.4. Licht

Licht ist der Anteil der elektromagnetischen Strahlung, der von unserem Auge gesehen werden kann. Dies entspricht einer Strahlung mit einer Wellenlänge von etwa 400 - 750 Nanometer (nm). Der sichtbare Bereich ist nur Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums. Grundlage der Photometrie ist die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Wellenlängen (V(λ)-Kurve).

In der Umwelt vorkommendes Licht ist ein Konglomerat elektromagnetischer Schwingungen unterschiedlicher Wellenlängen. Mittels eines Beugungsgitters oder eines Prismas kann man polychromatische Licht in monochromatisches Licht (Licht einer Wellenlänge) zerlegen. Jede dieser monochromatischen Lichtkomponenten entspricht einem spezifischen menschlichen Farbeindruck, den so genannten Spektralfarben oder Regenbogenfarben. Mit zunehmender Reihenfolge findet man folgende Wellenlänge vor:

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