Ionisierende Strahlung: Reichweite: Photoeffekt & Comptoneffekt

Veröffentlicht von: Onmeda-Redaktion

Photoeffekt

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 Z4.2. Was unter kleinen und mittleren Energien zu verstehen ist wird in Abb. 5 verdeutlicht.

Die Absorptionen von Waserstoff (Z = 1), Sauerstoff (Z = 8) und Calcium (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.

Illustration: Photoeffekt

Der Photoeffekt

Die durch die relativ hohe Ordnungszahl Z des Calciums 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.

Compton-Effekt

Trifft Photonenstrahlung auf Materie, so kann neben der klassischen Streuung und dem Photoeffekt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit ein weiterer Effekt auftreten: der Compton-Effekt. Die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten des Compton-Effekts ist bei mittleren Energien relativ groß, sie nimmt bei höheren Energien ab. Sie nimmt linear, also mit Z1, mit der Kernladungszahl zu.

Bei diesem Prozess werden ebenfalls Elektronen aus der Atomhülle herausgeschlagen. Ein Photon wird jedoch nicht vollständig absorbiert, sondern breitet sich mit geringerer Energie als vorher in einer anderen Richtung aus. Es wird also gestreut.

Die Energie h · f des auftreffenden Photons wird auf die gestreute Strahlung mit der Energie h · f' und die kinetische Energie des herausgeschlagenen Elektrons verteilt. Da der Comptoneffekt an sehr leicht gebundenen, also an den Elektronen der äußeren Schalen bzw. an freien Elektronen am wahrscheinlichsten ist, spielt die Bindungsenergie der Elektronen praktisch keine Rolle.

Grafische Darstellung: Compton-Effekt

Darstellung des Compton-Effekts

Ein Photon der Energie E = h · f schlägt aus dem Atomverband ein Elektron heraus. Dabei wird ein Teil der Energie auf das Elektron als kinetische Energie übertragen, der andere Teil steckt in dem gestreuten Photon mit der Energie h · f'

Der Compton-Effekt nimmt umgekehrt proportional mit der Energie, also mit E-1 ab und nimmt, wie erwähnt, proportional mit der Kernladungszahl Z zu.



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