Achtung: Versuche mit Röntgenstrahlung sind sehr gefährlich und bedürfen extremer Vorsicht und Vorkehrungen. Ich rate daher von Nachahmungen meiner Versuche dringend ab. Meine Aufbauten verfügen zum Schutz über eine massive Bleiabschirmung! Ich übernehme keinerlei Haftung für daraus resultierende Unfälle oder Schäden.
Deshalb gleich vorweg ein Diagramm, welche die Abschwächung für verschiedene Energien in Abhängigkeit von der Bleidicke zeigt:
Bildquelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Wilhelm_Conrad_R%C3%B6ntgen#/media/Datei:Roentgen2.jpg
Wilhelm Conrad Röntgen (1845 – 1923) war ein deutscher Physiker. Er entdeckte im Jahr 1895 im Physikalischen Institut der Universität Würzburg die „X-Strahlen“ (die nach ihm benannten Röntgenstrahlen). Im englischen heißen sie ja nach wie vor xrays. Hierfür erhielt er 1901 den ersten Nobelpreis für Physik.
Was sind Röntgenstrahlen und wie entstehen sie? Röntgenstrahlen sind wie sichtbares Licht eine elektromagnetische Welle. Sie besitzen aber durch ihre geringe Wellenlänge λ bzw. großen Frequenz f gemäß der Beziehung E = h · f eine sehr viel höhere Energie. Dies macht sie natürlich auch ungleich gefährlicher.
Röntgenstrahlen benötigen zu ihrer Entstehung sehr schnelle Elektronen. Diese werden in einer evakuierten Glasröhre (der sog. Röntgenröhre) durch Anlegen einer Hochspannung (z.B. rund 50 kV) beschleunigt. Treffen sie dann auf die Anode, so entsteht durch 2 Prozesse Röntgenstrahlung: Erstens durch Abbremsung der Elektronen und zweitens durch Herausschlagen von Elektronen der innersten Schalen.
Durchläuft ein Elektron die Spannung U, so besitzt es ohne verlangsamende Stöße danach die kinetische Energie E_kin = e·U. Beträgt U etwa 50 kV, so besitzen die Elektronen die kinetische Energie von 50 keV = 50·10^ 3·1.6·10^ -19 J. Werden sie nun im Anodenmaterial (zumeist Kupfer) abgebremst, so wandelt sich direkt kinetische Energie in elektromagnetische Strahlung, also quasi in Lichtenergie E = h·f um.
Maximal können Elektronen also nur ihre gesamte kinetische Energie in Röntgenstrahlung umwandeln. Die dabei entstehenden Photonen können also bei z.B. U = 50 kV und E_kin = 50 keV auch nur maximal eine Energie von 50 keV besitzen (zum Vergleich: Bei sichtbaren Licht liegt die Energie der Photonen im Bereich von 1-3 eV). Bei einer nicht vollständigen Abbremsung hat dann das Photon logischerweise eine Energie < 50 keV. Das zugehörige Energiespektrum der sog. Bremsstrahlung ist also kontinuierlich und reicht von 0 eV bis hin zu U eV.
Jetzt werden aber durch die auf die Anode treffenden Elektronen dort auch Elektronen der inneren Schale herausgeschlagen. Diese freie Stellen werden durch „Elektronensprünge“ wieder aufgefüllt. Bei diesen Sprüngen „nach Innen“ verlieren die Elektronen aber Energie. Diese überschüssige Energie wird nun in Form von Röntgenlicht frei. Damit die Energie der emittierten Photonen so groß ist, müssen demnach auch die energetischen Sprünge sehr groß sein. Während sichtbares Licht durch kleine Energiesprünge der Valenzelektronen (also der äußeren Elektronen) entsteht, bewirken die großen Sprünge der inneren Elektronen höherenergetisches Röntgenlicht.
Die einzelnen erlaubten Energieniveaus hängen aber vom Atom direkt ab. So besitzt z.B. Kupfer ein anderes sog. Termschema (= erlaubten Energieniveaus) als etwa Gold. Dadurch unterscheidet sich auch die von Kupfer emittierte Röntgenstrahlung von jener anderer Materialien. Man nennt diese vom jeweiligen Anodenmaterial abhängige Röntgenstrahlung daher auch charakteristische Strahlung. Diese überlagert sich mit der Bremsstrahlung und ergibt das vollständige Frequenzspektrum einer Röntgenröhre:
Diese charakterischen „Linien“ im Energiespektrum werden auch mit Kα oder Kβ usw. bezeichnet. Die innerste Schale (n = 1) wird als K-Schale bezeichnet. Dann kommt die L-, M- usw. Schale. Springt nun ein Elektron von n = 2 nach n = 1, so wird die dabei frei werdende Strahlung als Kα bezeichnet. Findet der Sprung aber von n = 3 nach n = 1 statt, so heißt diese Linie Kβ. Dieser Kβ-Linie entspricht also ein größerer Energiesprung als jener bei der Kα-Linie. Daher ist die Frequenz der Kβ-Linie auch größer bzw. ihre Wellenlänge auch geringer als bei der Kα-Linie!
Röntgenröhren sind relativ teuer. Man kann aber auch andere, weitaus günstigere Elektronenröhren als Röntgenröhren quasi missbrauchen. Gut eignet sich etwa die russische Röhre 2x2A, welche um nur einige Euro auf ebay zu kaufen ist.
Um diese aber effektiv als Röntgenröhre betreiben zu können, muss die Polarität gedreht werden, sprich ihre Anode wird mit dem Minuspol der Hochspannung verbunden und ihre Kathode mit dem Pluspol!
Zur Erzeugung der Hochspannung dient die bekannte Mazzilli-ZVS-Schaltung in Kombination mit einem AC-Zeilentrafo. Betrieben wird sie mit einem gleichgerichteten, leistungsstarken 12V/250W Trafo.
Wichtiger Hinweis: Die Mazzilli-Schaltung schwingt nur dann zuverlässig an, wenn die Betriebsspannung abrupt anliegt und nicht etwa langsam erhöht wird. Daher befindet sich bei mir zwischen Gleichrichter und Pluseingang der Mazzillischaltung ein für hohe Ströme ausgelegter Schalter. Dieser sorgt dafür, dass die Betriebsspannung sprunghaft anliegt.
Die Hochspannung des Zeilentrafos (ca. 8 kV) speist nun eine Kaskade. An deren Ausgang liegt nun eine Gleichspannung mit ca. 50 kV an.
Hier der vollständige Schaltplan meines Hochspannungsnetzteils:
Für die Sichtbarmachung der Röntgenstrahlung benötigt man eine sog. Röntgenkassette. Diese beinhaltet eine Folie, welche Röntgenstrahlung in sichtbares Licht umwandelt. Auf diese Weise wird ein in die Kassette eingelegter Röntgenfilm belichtet. In unserem Fall nehmen wir aber diese Folie heraus und kleben sie auf eine Plexiglasplatte. Das zu untersuchende Objekt kommt nun zwischen Röntgenröhre und Folie. Hinter der Folie befindet sich eine Digitalkamera, welche im abgedunkelten Raum die Folie ca. 5 Sekunden lang bei eingeschalteter Röntgenröhre abphotographiert. Während der Aufnahme befinde ich mich nicht im Raum, daher auch die Fernbedienung mit Notaus-Knopf!
Nun zum Gehäuse der Röntgenröhre. Diese befindet sich in einem Holzgehäuse, welches mehrlagig (!) mittels Walzblei abgeschirmt ist. Die Dicke der Bleiabschirmung beträgt mindestens 5 mm! Zusätzlich befinden sich außerhalb des Gehäuses zum Schutz noch weitere Bleiplatten. Die freie Abstrahlrichtung der Röntgenröhre zeigt bei meinem Aufbau auf eine Außenmauer, sodass kein Nachbar oder andere Personen der Strahlung ausgesetzt ist/sind.
Ergebnisse:
Mittels 60 keV Gammastrahlen hatte ich hier (https://stoppi-homemade-physics.de/bragg-reflexion/) bereits versucht, die Braggreflexion an einem Kristall nachzuweisen. Leider war mein Gammastrahler dafür viel zu schwach. Dieses Experiment möchte ich nun mit einer Röntgenröhre wiederholen. Dazu habe ich mir auf Kleinanzeigen.de eine alte, gebrauchte Röntgenröhre besorgt:
Leider gibt es im Internet nahezu keinerlei Informationen zum Betrieb alter Röntgenröhren. Ich werde mich also langsam mit Heizstrom und Anodenspannung herantasten. Zum Einsatz wird mein kompakteres 40 kV-Netzteil kommen. Denn viel höher als 30-40 kV werde ich nicht gehen. Je geringer die Anodenspannung U, desto langwelliger wird das Röntgenspektrum und desto größer fallen die Braggreflexionswinkel aus.
Hier sieht man die Kaskade aus einem alten Fernseher und die Vorwiderstände zur Reduzierung der Stromstärke:
Damit ich den Versuch sicher durchführen kann, habe ich mir ein 2 m langes und 1.25 mm dickes Walzblei gekauft. Damit umwickle ich die Röntgenröhre mehrfach um eine möglichst große Abschwächung der Röntgenstrahlung zu erzielen:
Hier der schematische Aufbau zur Ermittlung des Röntgenspektrums mittels Braggreflexion:
Bei gegebener Gitterkonstante d hängen reflektierte Röntgenwellenlänge λ und Reflexionswinkel φ linear voneinander ab. Mit dem Geigerzähler messe ich dann die Intensität der reflektierten Röntgenstrahlung in Abhängigkeit vom Winkel. Auf diese Weise erhalte ich das Röntgenspektrum.
Dieses besteht aus einem kontinuierlichen Anteil aufgrund der Abbremsung der Elektronen im Anodenmaterial und aus dem charakteristischen Röntgenspektrum, welches durch Anregung der innersten Elektronen des Anodenmaterials (z.B. Kupfer) zustande kommt. Letzteres zeigt verständlicherweise eine Materialabhängigkeit, das kontinuierliche Spektrum hingegen nicht.
Das kontinuierliche Röntgenspektrum besitzt eine scharfe Grenze bei einer minimalen Wellenlänge λmin. Werden Elektronen zum Beispiel durch 50 kV Anodenspannung beschleunigt, so besitzen sie unmittelbar vor der Anode eine Energie von 50 keV. Dies ist aber auch die maximale Energie, welche die Elektronen durch Abbremsung im Anodenmaterial abgeben können. Es gilt daher: Wkin,max = U · e = h · fmax = h · c / λmin.
Hier mein alter Aufbau zur Braggreflexion:
Als Kristall verwende ich einen Lithiumfluoridkristall, welcher mir dankenswerterweise von Korth-Kristalle (http://www.korth.de) zur Verfügung gestellt wurde.
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Mit Röntgenstrahlung lassen sich sog. Lauediagramme erstellen, welche als Nachweis für die kristalline Struktur diverser Materialien dienen. Dazu wird kontinuierliche Röntgenstrahlung auf einen Kristall gelenkt. Durch Braggreflexion kommt es sodann zur Reflexion nur in ganz bestimmte Richtungen. Es muss ja die Bragggleichung sin(φ) = n · λ / 2 · d erfüllt sein!
Bildquelle: Wikipedia
Max von Laue (1879 – 1960) war ein deutscher Physiker und Nobelpreisträger. Seine Entdeckung der Röntgenstrahlinterferenz im Jahre 1912 war ein Meilenstein in der Erforschung des atomaren Aufbaus der Materie. Für diese Leistung wurde er 1914 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.
Diesen Versuch werde ich mit Kochsalzkristallen (Natriumchlorid, NaCl) durchführen. Diese wurden mir kostenlos von der Firma FIAS (http://www.fias.at) zugesandt, vielen lieben Dank nochmals dafür!
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