Basiswissen

Bremsstrahlung ist elektromagnetische Strahlung, die durch eine Geschwindigkeitsänderung geladener Teilchen entsteht: geladene Teilchen sind zum Beispiel Elektronen, Protonen oder Ionen. Ändert man deren Geschwindigkeit, senden sie oft Strahlung aus.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Ein schnelles geladenes Teilchen ändert seine Flugrichtung infolge eines elektrischen Feldes: dadurch sendet es ein Strahlungspaket, ein elektromagnetisches Quant aus. © journey234 ☛

Physikalisches Grundprinzip

Die Geschwindigkeit eines geladenen Teilchens zu verändern kann heißen, dass man es schneller macht, dass man es langsamer macht oder auch, dass man seine Bewegungsrichtung (Synchrotronstrahlung) verändert. Bei solchen Prozessen kann Strahlung ausgesendet werden.

MERKSATZ:

"Es ist allgemein bekannt, dass beschleunigte Ladungen elektromagnetische Strahlung aussenden."^[7]

Typischerweise bezieht sich Bremsstrahlung auf eine Verlangsamung von Elektronen in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, eines Coulombfeldes^[2].

DEFINITION:

"Die bei Kollisionen mit Atomen ausgesandte Strahlung wird üblicherweise Bremsstrahlung genannt. Der Grund ist, dass man sie zuerst beobachtet hatte, also hochenergetische Elektronen von dickem Metall gebremst wurden."^[5]

Immer wenn das in Folge eines elektrischen Feldes passiert, sendet das Teilchen elektromagnetische Strahlung und damit Energie aus. Das ist die Bremsstrahlung. Allgemein gilt: bei jeder Wechselwirkung geladener Teilchen entstehen Photonen. Bei ungeladenen beziehungsweise neutralen Teilchen entsteht keine Bremsstrahlung.

"Es ist sehr schwierig, die Auswirkungen der von der Strahlung transportierten Energie und des Impulses auf die Flugbahn eines Teilchens zu berücksichtigen. Dies liegt nicht nur daran, dass Strahlungsrückwirkungseffekte relativ schwer zu erfassen sind, sondern auch an der diskreten Quantennatur der emittierten Photonen."^[6]

Ein tieferes Verständnis der Entstehung von Bremsstrahlung geschieht muss sowohl die Quantenphysik^[6] als auch die Relativitätstheorie^[9] mit beinhalten. Die Vorgänge können nicht mit den Konzepten der klassischen Physik im Sinne einer newtonschen Mechanik verstanden werden.

Bremsstrahlung als kontinuierliches Spektrum

In einer sogenannten Röntgenröhre zum Beispiel beschleunigt man Elektronen in einem elektrischen Feld auf 30000 (dreißigtausend) Elektronenvolt. Dann lässt man die Elektronen auf eine Metallplatte (oft aus Wolfram) aufschlagen. Dabei dringen die Elektronen in das Anodenmaterial ein und bewegen sich dort ein Stück weiter, zwischen den Atomen. Auf ihrem Weg durch die Atome des Anodenmaterials werden die Elektronen ständig umgelenkt und abgebremst. Dadurch entstehen sehr viele unterschiedliche Energiepakete, je nach Maß der Änderung. Die vielen unterschiedlich großen Energiepakete ergeben letzten Endes auf Grund ihrer großen Anzahl ein nahezu lückenloses, das heißt kontinuierliches Spektrum ↗

Bremsstrahlung als Röntgenstrahlung

Bremsstrahlung entsteht unter anderem in sogenannten Röntgenröhren. Bei jeder Röntgenaufnahme beim Arzt spielt sie eine Rolle. Neben dieser kontinuierlichen Strahlung entsteht in Röntgenröhren aber noch eine zweite Strahlungsart, die sogenannte charakteristische Röntgenstrahlung. Sie entsteht dann, wie auch die kontinuierliche Strahlung, wenn die schnellen Elektronen auf das Anodenmaterial treffen. Schlagen sie dort Elektronen aus den Hüllen der Anodenatome heraus, fallen in deren Atomhüllen Elektronen aus höheren Schalen (Bahnen) auf die Bahn des herausgeschlagenen Elektrons. Man spricht allgemein von einem sogenannten elektronischen Übergang. Dabei entstehen aber immer nur Energiepakekte ganz bestimmter Wellenlängen. Diese Wellenlängen sind charakteristisch, das heißt typisch, für bestimmte Atomsorten (Molybdän, Kupfer, Eisen etc.). Daher der Name charakteristische Strahlung. Erwähnt wurde im Jahr 1921 auch eine Art Doppler-Effekt der Bremsstrahlung, der möglicherweise auf eine Wechselwirkung mit freien Elektronen zurück geht.^[4] Lies mehr unter Röntgenstrahlung ↗

Die Grenzwellenlänge

λₘᵢₙ = h·c/(e·U): betrachtet man eines der typischen Diagramme zum Röntgenspektrum, so sieht man, dass es für ein bestimmtes Röntgengerät links von einer sogenannten Grenzwellenlänge keine ausgesandten Röntgenphotonen (Quanten) gibt. Links im Diagramm heißt kleinere Wellenlänge l und damit höhere Frequenz f (c=lf) und Energie (E=hf). Anders gesagt: jedes Röntgengerät hat eine Obergrenze der Energie pro Photon (kodiert über die Wellenlänge). Diese oberste Energie E ist gleich der maximalen Energie der in der Röhre von der Beschleunigungsspannung U beschleunigten Elektronen. Das macht Sinn: ein auf die Metallanode aufschlagendes Elektron kann maximal so viel Energie an ein entstehendes Photon abgeben, wie es selbst auch am Anfang des Prozesses hat. Die kleinstmögliche Wellenlänge λₘᵢₙ wird berechnet über den Term h·c/(e·U). Mehr dazu unter Grenzwellenlänge ↗

Fußnoten

[1] Bremsstrahlung ist "kurzwellige elektromagnetische Strahlung, die bei Abbremsung von Elektronen in Materie infolge der Coulomb-Wechselwirkung zwischen den Elektronen und den Atomkernen entsteht." Und: "Die Bremsstrahlung kann als Umkehrung des photoelektrischen Effekts aufgefaßt werden. Das Elektron wird durch das sich ändernde elektrische Feld um den Kern abgebremst und gibt seine Energie in Form kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung (meist Röntgen- und γ-Strahlung)" In: Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 2. November 2023. https://www.spektrum.de/lexikon/physik/bremsstrahlung/1974

[2] Bremsstrahlung als Gammastrahlung: "Gammastrahlung entsteht entweder als Bremsstrahlung beim Auftreffen schneller Elektronen auf Materie oder beim Strahlungsübergang eines angeregten Atomkerns oder Hadrons (Gammaabregung, Kerngammaübergänge)." In: Spektrum Lexikon der Physik. Abgerufen am 2. November 2023. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/gammastrahlung/5520

[3] Bremsstrahlung bei Kollision von Elektronen mit Atomkernen: "We searched for the emission of microwave radiation in the Ku band [∼ 11GHz] generated by a 95 keV electron beam in air. We unequivocally detected the radiation, and measured its yield and angular dependence. Both the emitted power and its angular pattern are well described by a model, where microwave photons are generated via bremsstrahlung in the free-electron atomic-nucleus collisions, during the slowdown of the electrons. As a consequence, the radiation is not isotropic but peaked in the forward direction" In: E. Conti et al., Experimental study of the microwave emission from electrons in air, arXiv (2014). Online: https://arxiv.org/pdf/1408.5886

[4] Ein Doppler-Effekt der Bremsstrahlung lässt Rückschlüsse auf freie Elektronen und deren Geschwindigkeit und Ausdehnung zu: "Further evidence that the electron possesses properties other than those of an electric charge of negligible dimensions is afforded by a study of the white X-radiation emitted at the target of an X-ray tube. It was noticed by Kaye that the X-rays emitted in the direction of the cathode ray beam are harder and more intense than those traveling in the opposite direction . The difference in both hardness and intensity of the radiation at different angles is in good accord with the view proposed by D . L . Webster that the particles emitting the radiation are moving in the direction of the cathode-ray beam, giving rise to a Doppler effect . Indeed, it is very difficult to give any other explanation of the difference in wave-length of the radiation in different directions . But, on this view, in order to account for the difference in hardness observed in the case of gamma rays, the radiating particles must have a velocity of about one-half the speed of light. Since the highest known speeds at which atoms travel is only about one-tenth the velocity of light, as observed in the case of alpha particles, the swiftly moving radiators giving rise to this high-frequency X-radiation must therefore be free electrons." In: Arthur Holly Compton (1921): The magnetic electron. Journal of the Franklin Institute, 192(2), 145–155. Siehe auch Elektronendurchmesser ↗

[5] Zur Definition: "The radiation emitted during atomic collision is customarily called bremsstrahlung (breaking radiation) because it was first observed when high-energy electrons were stopped in thick metallic target." In: John David Jackson: Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons. 1962. Dort im Kapitel 15.

[6] "It is very difficult to take into account the effects on the trajectory of the particle of the energy and momentum carried off by radiation. This is not only because radiation reaction effects are relatively hard to include, but also because of the discrete quantum nature of the photons emitted." In: John David Jackson: Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons. 1962. Dort im Kapitel 15.

[7] "It is well known that accelerated charges emit electromagnetic radiation." Und: "Of particular interest are the total radiation emitted, the angular distribution of radiation, and its frequency spectrum." In: John David Jackson: Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons. 1962. Dort im Kapitel 14, Seite 464.

[8] Zur Definition: "When an electron collides with a charge or a system of charges, in addition to the electron being scattered photon emission can also take place. Such a process is referred to as bremsstrahlung." In: A. T. I. Akhiezer, V. B. Berestetskt: Quantum Electrodynamics. Translated from the Second Russian Edition by G. M. Volkoff. John Wiley & Sons. 1965. Dort im § 29.

[9] Zur schwierigen Berechnung: "Because of the complicated nature of the wave functions of an electron in the field of a nucleus the matrix element can be evaluated only in the case of low energies, when the nonrelativistic approximation may be used, and also in the limiting case of high energies and small scattering angles for the electron". In: A. T. I. Akhiezer, V. B. Berestetskt: Quantum Electrodynamics. Translated from the Second Russian Edition by G. M. Volkoff. John Wiley & Sons. 1965. Dort im § 29.