Bremsstrahlung

Erzeugung von Röntgenbremsstrahlung durch Abbremsung eines schnellen Elektrons in dem Coulombfeld eines Atomkerns (schematische Darstellung)

Bremsstrahlung ist die elektromagnetische Strahlung, die entsteht, wenn der Impuls eines geladenen Teilchens, zum Beispiel eines Elektrons, geändert wird. Jede Geschwindigkeitsänderung eines geladenen Teilchens ist mit der Absorption oder Emission von elektromagnetischer Strahlung verbunden. Von Bremsstrahlung im engeren Sinne spricht man, wenn Teilchen in Materie gebremst werden.

Auftreten bzw. Anwendung der Bremsstrahlung

Bei Teilchenbeschleunigern (vor allem beim Synchrotron) und bei Speicherringen wird bei der Ablenkung von geladenen Teilchen durch ein Magnetfeld Bremsstrahlung frei, die in diesen Zusammenhängen Synchrotronstrahlung genannt wird.

Der Effekt der Bremsstrahlung wird in Röntgenröhren zur Erzeugung von Röntgenstrahlung verwendet. Dabei schießt man Elektronen mit einer kinetischen Energie ab 30 keV auf eine Metallplatte, die häufig aus Wolfram besteht. Ein kleiner Teil der beim Abbremsen frei werdenden Energie wird in Röntgenstrahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum (einem Röntgenkontinuum) umgewandelt.

Bremsstrahlung kann außerdem die Entwicklung und Morphologie von elektrischen Entladungen beeinflussen sowie hochenergetische terrestrische Gammablitze und Positronen erzeugen.

Spektralverteilung der Bremsstrahlung einer Röntgenröhre

Spektrum von Röntgenstrahlung einer Kupferanode. Die horizontale Achse zeigt den Ablenkwinkel nach Bragg-Reflexion an einem LiF-Kristall

Das Spektrum hat zu kurzen Wellenlängen hin eine der kinetischen Energie der Elektronen entsprechende Grenzwellenlänge, d.h. die gesamte kinetische Energie der Elektronen wird in Röntgenstrahlung umgewandelt. Diese Grenzwellenlänge hängt also nur von der durchlaufenen Beschleunigungsspannung (Anodenspannung) ab, sie ist unabhängig vom Anodenmaterial. Die Form des Spektrums hängt von der Geschwindigkeitsverteilung der Elektronen und dem verwendeten Metall ab.

Die kürzeste mögliche Wellenlänge tritt auf, wenn die gesamte kinetische Energie des Elektrons in ein einziges Photon umgewandelt wird:

$E_{{\text{Photon}}}=h\cdot f=E_{{\text{kinetisch}}}=e\cdot U$

Sie beträgt (wegen f = c / λ)

${\lambda _{{\mathrm {min}}}}={\frac {h\cdot c}{e\cdot U}}$

mit

c - Lichtgeschwindigkeit

h - Plancksches Wirkungsquantum

e - Elementarladung, Elektronenladung

U - Beschleunigungsspannung, Anodenspannung der Röntgenröhre

Durch Einsetzen der Naturkonstanten ergibt sich die zugeschnittene Größengleichung

${\lambda _{{\mathrm {min}}}}={\frac {1{,}24\cdot 10^{{-6}}\,{\mathrm {V}}\cdot {\mathrm {m}}}{U}}$

An dieser Gleichung sieht man, dass die untere Grenzwellenlänge ${\lambda _{{\mathrm {min}}}}$ nur von der Beschleunigungsspannung abhängig ist. Bei einer Beschleunigungsspannung von 25 kV beträgt sie 0,05 nm. Diese Strahlung vermag bereits normales Glas und dünne Aluminiumplatten zu durchdringen. Daher müssen bei Farb-Bildröhren, die mit Beschleunigungsspannungen von 25 bis 27 kV (Schwarzweiß-Bildröhre: ca. 18 kV) arbeiten, Maßnahmen zum Strahlenschutz getroffen werden. Man verwendet daher Bleioxid-haltiges Glas für den Kolben.

Die kontinuierliche Intensitätsverteilung der Bremsstrahlung, wenn Elektronen in ein Material eintreten, folgt der Kramerschen Regel:

$J({\lambda })=K\cdot I\cdot Z\cdot \left({\frac {\lambda }{\lambda _{{\mathrm {min}}}}}-1\right)\cdot {\frac {1}{\lambda ^{2}}}$

mit

J - Intensitätsfunktion, in Photonen pro Sekunde

K - die so genannte Kramersche Konstante

I - Elektronenstrom

Z - Ordnungszahl der Atome des Materials

Bei realen Spektren von Röntgenemissionen wird die entstehende Bremsstrahlung durch verschiedene Effekte überlagert. Hinzu kommt insbesondere die charakteristische Strahlung, die ein Emissionsspektrum der Atome des Materials darstellt, sowie dessen Absorptionsbanden, da die Bremsstrahlung unter der Materialoberfläche entsteht.

Elektron-Elektron-Bremsstrahlung

Ein Prozess, der wichtig für kleine Ordnungszahlen ist, ist die Streuung von freien Elektronen an den Schalenelektronen eines Atoms oder Moleküls. Da die Elektron-Elektron-Bremsstrahlung eine Funktion von und die Elektron-Kern-Bremsstrahlung eine Funktion von $Z^{2}$ ist, ist jener Prozess für Metalle vernachlässigbar. Für Luft jedoch spielt die Elektron-Elektron-Bremsstrahlung in der Erzeugung von terrestrischen Gammablitzen eine wichtige Rolle.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de