Ionisierende Strahlung: Reichweite

Photoeffekt

Autor: Onmeda-Redaktion

Trifft Photonenstrahlung auf Atome, so kann sie aus deren Elektronenhülle Elektronen herausschlagen. Dabei verliert das betreffende Photon seine gesamte Energie: es wird also vollständig absorbiert. Die von einem Photon an das Elektronen abgegebene Energie wird in kinetische Energie des herausgeschlagenen Elektrons umgesetzt sowie für die Ablösearbeit A des Elektrons aus der Atomhülle aufgewendet. Dieser sogenannte Photoeffekt findet vor allem bei den Elektronen der innersten Schalen, also der K- oder L-Schale statt.

Ein Photon der Energie E = h · f schlägt aus dem Atomverband ein Elektron heraus. Die gesamte Energie des Photons wird auf das Elektron übertragen. Das Photon wird dabei völlig absorbiert.

Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Photoeffekts ist besonders groß bei kleinen und mittleren Energien der einfallenden Photonen (Strahlung); sie nimmt mit höheren Energien stark ab und zwar umgekehrt proportional zur dritten Potenz der Energie, also mit ~E^-3. Der Photoeffekt nimmt außerdem mit der Kernladungszahl Z stark zu; und zwar mit Z⁴ bis Z^4.2. Was unter kleinen und mittleren Energien zu verstehen ist wird in Abb. 5 verdeutlicht.

Die Absorptionen von Waserstoff (Z = 1), Sauerstoff (Z = 8) und Kalzium (Z = 20), die durch den Photoeffekt, bei Energien bis zu ca. 60 keV hervorgerufen werden, verhalten sich bei derselben Strahlung und gleicher Dichte wie folgt zueinander. (Wir nehmen der Einfachheit halber eine Absorption proportional zu Z⁴ an):

1 : 8⁴: 20⁴= 1 : 4 096 : 160 000

Durch Calcium würden die Photonen von Röntgenstrahlen der beschriebenen Energie also 160 000mal stärker absorbiert, als durch gleich dichten, also stark komprimierten Wasserstoff.

Die durch die relativ hohe Ordnungszahl Z des Kalziums erklärbare stärkere Schwächung von Röntgenstrahlung durch das Skelett ist der Grund für die gute Abbildung des Skeletts im Röntgenbild. Auch Jod und Barium, zwei wichtige, in Kontrastmitteln enthaltene Stoffe, haben eine relativ hohe Ordnungszahl. Diese Tatsache erklärt die die Röntgenstrahlung stark schwächenden Eigenschaften der positiven jod- oder bariumhaltigen Kontrastmittel. Auch die Röntgenstrahlung sehr stark schwächende Eigenschaft von Blei erklärt sich aus seiner hohen Ordnungszahl. Der zweite Grund für die starke Schwächung durch Blei liegt in seiner relativ hohen Dichte von etwap = 11.

Mit Zunahme der Strahlenenergie nimmt der Einfluss der Ordnungszahl Z für die Schwächung jedoch ab. Diese Tatsache wird in der Hartstrahltechnik, also z.B. bei Lungenaufnahmen, um den Einfluss der Rippen auf dem Röntgenbild zu reduzieren, gezielt ausgenutzt.

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