Wechselwirkung der Strahlung mit Materie: (II) Anregung inkohärenter Streuung

Inhalt Es gibt vier Arten der Wechselwirkung: Anregung kohärenter Streuung: Die Röntgenstrahlung regt alle Oszillatoren zu gleichphasigen „erzwungenen Schwingungen“ an Anregung inkohärenter Streuung beim Photoeffekt Compton-Effekt Paarbildung

Vier Wechselwirkungen der Strahlung mit Materie Photoeffekt 106 103 1 0,1 1 10 100 1000 1.000.000 Paarbildung Kohärente Streuung Compton-Effekt Der Photoeffekt hängt vom Material ab – für medizinisches Röntgen ist Kohlenstoff - als schwerstes Element der Bausteine des Gewebes - das wichtigste

Der Photoeffekt Strahlung wird absorbiert, indem sie ein Atom ionisiert Die Energie des Röntgenquants wird umgewandelt in: Ablösearbeit des Elektrons kinetische Energie des emittierten Elektron

Der Photoeffekt 1 Joule Energie des Photons Bindungsenergie des Elektrons in Schale n Kinetische Energie des ausfliegenden Elektrons

Ein Photon ionisiert ein Atom Der Photoeffekt Ein Photon ionisiert ein Atom Die Lücke wird unter Emission von Fluoreszenz-Strahlung aufgefüllt

Der „innere“ Photoeffekt Ein Photon ionisiert ein Atom Innerhalb des Atoms wird noch eine andere Schale ionisiert: Strahlungsloser Übergang, Auger-Effekt

Eigenschaft der Fluoreszenz-Strahlung: Wegen der unbestimmten Zeit zwischen Anregung und Emission (ca. 10-8 s) fehlt die feste Phasenbeziehung zwischen einfallender und ausfallender Welle Das durch diese Strahlung erzeugte Interferenzmuster ändert sich ständig Deshalb ist diese Strahlung für Beugung und Abbildung zur Untersuchung der Gestalt eines Objekts ungeeignet

Der Compton-Effekt Ein Photon wird an einem Elektron auf einer äußeren Schale eines Atoms gestreut („quasifreies Elektron“) Die Welle erscheint als Teilchen mit einem Impuls: Für die Photonen und das Elektron vor und nach dem Streuprozess gilt die Impuls und Energieerhaltung

Impuls-Erhaltung beim Stoß Photon auf ein ruhendes Elektron, ( v << c ) Impulse, Einheit 1 kg m/s Photon vor dem Stoß Elektron nach dem Stoß Impuls-Erhaltung

Energie-Erhaltung beim Stoß Photon auf ein ruhendes Elektron, ( v << c ) Energie, Einheit 1 Joule Photon vor dem Stoß Photon nach dem Stoß Elektron nach dem Stoß Energie-Erhaltung

Die „de Broglie“ Beziehung Beim Compton-Effekt zeigt die Welle einen Impuls wie ein Teilchen, es gilt die „de Broglie Beziehung“: p = h / λ [mkg/s] λ m] Wellenlänge h = 6,62 10-34 [J/s] Plancksches Wirkungsquantum Allgemein gilt: Es gibt Wechselwirkungen, bei denen Wellen als Teilchen erscheinen, auch die Umkehrung gilt, bei der Teilchen Eigenschaften von Wellen zeigen, z. B: bei der Beugung

Die Paarbildung Paarbildung gibt es bei Stößen hochenergetischer Photonen auf Elektronen oder Kerne Die Energie eines Photons (Röntgen- oder Gamma-Quant) wird in die Massen eines Elektrons und eines Positrons umgewandelt Paarbildung erfordert Photonenenergie über einem Mega-eV

Paar-Bildung Energie, Einheit 1J Photon vor dem Stoß Energie der Ruhemassen des Elektron- Positron Paares Energie-Schwelle für Beginn der Paarbildung

Schwellenenergie für die Paarbildung 1kg Masse eines Elektrons 1 m/s Lichtgeschwindigkeit 1 C Elementarladung 1 Joule Energie zur Erzeugung von zwei Elektronen-Massen 1 eV Schwellenenergie für die Paarbildung (etwa 1MeV)

Es gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie Zusammenfassung Es gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie Anregung kohärenter Streuung („klassische Streuung“) Anregung inkohärenter Streuung durch Photoeffekt Die einfallende Strahlung ionisiert ein Atom Die gesamte Energie des Srahlungsquants wird umgewandelt in: Ablösearbeit des Elektrons kinetische Energie des emittierten Elektron Beim Auffüllen der Lücke wird „Fluoreszenz Strahlung emittiert Kleinere Energie als die der einfallenden Strahlung Zeitlich verzögert, deshalb ohne feste Phasenbeziehung zur einfallenden Strahlung: „Inkohärente Streuung“ Compton-Effekt: Stoß zwischen „Photon“ und Elektron auf einer äußeren Schale, es gilt neben der Energie- die Impulshaltung Beim Compton-Effekt zeigt die Welle einen Impuls wie ein Teilchen, es gilt die „de Broglie Beziehung“: p = h / λ [mkg/s] Die auslaufende Welle hat eine kleinere Energie als die anregende, Beitrag zur „Inkohärenten Streuung“ mit der Differenz wird das Elektron beschleunigt Paarbildung: Stoß zwischen hochenergetischem Photon (W>1 Mev) und Kern oder Elektron Die Energie des Strahlungsquants verwandelt sich in die Masse eines Elektron-Positron Paares: h·f = 2·m·c2 , f [1/s] Frequenz der Strahlung h = 6,62 ·10-34 [J/s] Plancksches Wirkungsquantum

finis