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

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

2. 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

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

4. 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

5. Der Photoeffekt

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

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

8. 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

9. 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 Streuprozessgilt die Impuls und Energieerhaltung

10. Impuls-Erhaltung beim Stoß Photon auf ein ruhendes Elektron, ( v << c )

11. Energie-Erhaltung beim Stoß Photon auf einruhendes Elektron, ( v << c )

12. 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] • λm] 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

13. Die Paarbildung • Paarbildunggibt 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 Positronsumgewandelt • Paarbildung erfordert Photonenenergie über einem Mega-eV

14. Paar-Bildung

15. Schwellenenergie für die Paarbildung

16. 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

17. finis