Röntgenröhre Energielevel

Wissenschaft Physik
#1

Hallo,
Wir schreiben morgen eine Klausur über die Quantentheorie. Darunter ist auch die Röntgenröhre. Diese besteht hauptsächlich aus der Glühkathode und der Anode. Nun ist meine Frage. Was machen die Elektronen der Glühkathode, die auf das Anodenmaterial treffen?
Ich habe leider nur eine unklare Zeichnung über die unterschiedlichen Energienievaus unterschiedlicher Schalen. Das kommende Elektron soll ein Loch in einer der Schalen erzeugen. Dieses wird von einem Elektron einer anderen Schale gefüllt, dabei wird Energie in Form von (Röntgen-)Strahlung frei.

  1. Wieso entsteht überhaupt ein Loch?
  2. In welcher Schale entsteht das Loch?
  3. Aus welcher Schale kommt das lochfüllende Elektron?
  4. Was passiert mit den Elektronen nach dem Stoß? Entsteht um die Anode eine Ladungswolke?

Ich danke schon mal herzlich für Antworten :wink:

Gruß
Julian

#2
  1. Wieso entsteht überhaupt ein Loch?

Ein extrem energiereiches Elektron schlägt auf ein Atom ein.
Dabei trifft es ein Elektron dieses Atoms und schlägt es heraus.

  1. In welcher Schale entsteht das Loch?

Da, wo der Treffer statt fand. Es kann jede Schale treffen!

  1. Aus welcher Schale kommt das lochfüllende Elektron?

Aus einer höheren, energiereicheren.
Ein Elektron aus der K-Schale wurde getroffen.
Es kann nun durch eins der L-oder M-Schale ersetzt werden.
Beim Herunterfallen auf die niedrigere Schale wird Energie frei.
Wird ein K-Elektron durch ein M-Elektron ersetzt, dann entsteht ein Quant höherer Energie als beim Ersatz durch ein L-Elektron.
Wie im echten Leben:
Je tiefer das Loch, desto aua der Kopf beim Aufprall.

Wurde ein K durch ein L Elektron ersetzt, dann ist nun die L-Schale unterbesetzt. Auch hier wird das nicht bleiben und ein M-Elektron purzelt auf L-Niveau herunter.

Da die Schalen bestimmte Energieniveaus haben, kann nur Strahlung frei werden, deren Energie einer der möglichen „Fallhöhen“ entspricht.
Also z.B. M auf K, L auf K, M auf L. Aber keine Zwischenwerte.

  1. Was passiert mit den Elektronen nach dem Stoß? Entsteht um
    die Anode eine Ladungswolke?

Es fließt ein Strom. Die Anode bekommt ja ständig Elektronen hinzu (durch den Beschuss der Kathode). Diese werden über die Spannungsquelle, die die Beschleunigungsspannung aufrecht erhält, ausgeglichen.

Und fang das Nächste mal früher an mit Lernen, dann musst du dich auch nicht mit so laienhaften Erklärungen wie meiner begnügen!

Besser ist es hier:
http://de.wikipedia.org/wiki/Charakteristische_R%C3%…
http://de.wikipedia.org/wiki/Charakteristische_R%C3%…

#3

Hallo,

Erstens muss man wissen, dass in der Röntgenröhre 2 Arten von Röntgenstrahlung entstehen, die charakteristische Röntgenstrahlung und die Bremsstrahlung. Du hast hier nur die charakteristische angesprochen, diese entsteht durch Ionisation des Anodenmaterials und ist somit materialcharakteristisch. Die Bremsstrahlung entsteht durch Richtungsänderung und Abbremsung der Elektronen beim auftreffen in das Anodenmaterial. Der Großteil der entstehenden Strahlung ist Bremsstrahlung.
Die auf die Anode geschossenen Elektronen haben sehr hohe kinetische Energien (Geschwindigkeiten im Bereich einiger 10% der Lichtgeschwindigkeit), können also ionisieren. Das heißt sie können Elektronen aus dem Material in dem sie auftreffen herausschlagen, das kann das Anodenmaterial sein, aber auch z.B. DNS-Material in Menschenzellen bei Beta-Elektronen.
Die Löcher, die für die charakteristische Strahlung verantwortlich sind liegen in der Regel sehr Kernnah, man spricht von K-Linie (Elektron aus K-Schale) oder L-Linie (Elektron aus L-Schale) im Röntgenspektrum.
Je nachdem, woher das auffüllende Elektron kommt hat die Strahlung nochmal andere Energien, man spricht von z.B. K-Alpha-Linie oder K-Beta-Linie.
Die Anode ist (stark) positiv geladen, die Elektronen werden daher angezogen. Da die Spannung ständig neu aufgebaut wird werden diese sofort wieder von der Spannungsquelle abgezogen.
Hoffe es wurde alles beantwortet, hier noch ein Röntgenspektrum:

http://www.ipf.uni-stuttgart.de/lehre/online-skript/…

Man sieht dass die charakteristischen Linien erst auftreten sobald die Ionisationsenergie überschritten wurde.

#4

Danke für die Erklärung! Ich konnte mir nur nicht vorstellen, dass das Elektron rausgeschlagen wird, aber wenn es logischerweise durch die Spannungsquelle „entfernt“ wird, dann ergibt das Sinn :wink:

Wurde ein K durch ein L Elektron ersetzt, dann ist nun die
L-Schale unterbesetzt. Auch hier wird das nicht bleiben und
ein M-Elektron purzelt auf L-Niveau herunter.

Bedeutet das, dass dann 2 Photonen austreten? Oder kombiniert sich die Energie zu einem Photon? Ansonsten müsste es ja auch unterschiedliche Wellenlängen geben…

Und fang das Nächste mal früher an mit Lernen, dann musst du
dich auch nicht mit so laienhaften Erklärungen wie meiner
begnügen!

Ja… das denk ich auch jedes Mal, aber ich tue es dann trotzdem nicht -_- Aber bis auf diesen einen Punkt bin ich auch recht sicher in dem Stoff.

gruß
Julian

#5

Hallo,
Danke für deine Erklärung! War nochmal eine schöne Zusammenfassung :wink:

#6

Die Übergänge im Bereich der äußeren Schalen können zwar theoretisch auch stattfinden, die Photonenenergien werden aber sehr klein (sichtbares Licht - UV), daher kommen diese Photonen in der Regel gar nicht aus dem Material heraus (innere Filterung). Das ist auch der Grund warum die Bremsstrahlungslinie links so abgekappt ist.

#7

Okay, danke nochmals :wink:

#8

Hi,

Deine bisherigen Erklärungen waren gut, aber die finde ich zweifelhaft.

1.) Auf die Frage: Es gibt mehre charackteristischen Linien für jedes Material und nicht nur eine, also ja: Es treten verschiedene Wellen mit verschiedenen Frequenzen auf, das Spektrum hat ja mehrere Spitzen.

2.) Die kurzwellige Grenze (also das „abgekappte links“) kommt aus einem anderen Grund zustande:

Du beschleunigst ein Elektron mit einer Spannung U, dann hat es eine Energie E=eU. Jetzt kann dieses Elektron gebremst werden, je mehr es gebremst wird umso mehr Brehmsstrahlung gibt es ab. Was kann im Extremfall passieren: Es wird kommplett abgebremst und gibt seine ganze Energie ab. Das ist die maximale Energie die du im Spektrum sehen kannst. Da Energie und Wellenlänge invers zueinander sind, gibt es eine kürzest auftredende Wellenlänge:

E_max=eU=hc/Lambda

Lambda_min =hc/eU

lg Alex

1 Like
#9

Genau, die kürzeste Wellenlänge die du hier ausgerechnet hast ist die Wellenlänge der maximalen Photonenenergie (je kürzer die Wellenlänge desto energiereicher die Photonen).
Prinzipiell spricht ja nichts dagegen, dass ein Elektron z.B. nur 1eV seiner Bewegungsenergie als Photon abgibt, sichtbares Licht kommt aber nicht aus dem Anodenmaterial heraus sondern wird nach wenigen µm absorbiert und erwärmt die Anode.

http://mitglied.multimania.de/DrJoachimLang/images/I…
Hier sieht man gepunktet das theoretische Bremsstrahlungsspektrum, alle Linien links der L-Linien wird man nur noch mit sehr guten Detektoren messen können.

#10

Hi,

Genau, die kürzeste Wellenlänge die du hier ausgerechnet hast
ist die Wellenlänge der maximalen Photonenenergie (je kürzer
die Wellenlänge desto energiereicher die Photonen).

Das versuchte ich mit Energie und Wellenlänge sind invers proportional zueinander auszudrücken

Prinzipiell spricht ja nichts dagegen, dass ein Elektron z.B.
nur 1eV seiner Bewegungsenergie als Photon abgibt,

Hab ich auch nie behauptet, ich sprach maximal kann es alles abgeben.

http://mitglied.multimania.de/DrJoachimLang/images/I…
Hier sieht man gepunktet das theoretische
Bremsstrahlungsspektrum, alle Linien links der L-Linien wird
man nur noch mit sehr guten Detektoren messen können.

Ja, nur ist in diesem Graph die Energie aufgetrage, also ist das kurzwellenlängige Ende jetzt rechts, was links passiert war nie Teil meiner Erörterung. Oben, in deinem ersten Post ist die Wellenlänge aufgetragen, als maximale Energie links. Der Grund warum es im ersten Post links aufhört ist die maximale Bremsenergie.

Du erklärst deinen Effekt einmal für kurze Wellenlängen und einmal für lange.
Oder verstehe ich dich falsch?
lg

#11

Ja stimmt, da hast du natürlich recht, habe in dem ersten Bild gar nicht auf die Skalierung geschaut, ich bin davon ausgegangen, dass die Energie aufgetragen ist und nicht die Wellenlänge. Die innere Filterung für kleine Photonenenergien dürfte aber trotzdem die Begründung sein für den Verlauf des Intensität-Energie-Spektrums.