Level 2B: Strahlungsspektrum und Materie

Bei Röntgenstrahlung handelt es sich um elektromagnetische Strahlung, also ein zeitlich veränderliches Elektromagnetfeld. Dieses Feld breitet sich mit der Lichtgeschwindigkeit \(c\) aus. Die entscheidende Größe bei der Betrachtung von Strahlung ist die Photonenenergie \(E\), die ein Quant dieser Strahlung transportiert. Dabei ist \(E\) direkt proportional zur Frequenz \(f\) der Strahlung. Die Wellenlänge \(\lambda\) ist indirekt proportional zu \(f\) und zu \(E\) und es gelten insgesamt folgen Beziehungen: \[E=h\cdot f \] \[E=h\cdot \frac{c}{\lambda} \] \[c=f\cdot\lambda\] Bei \(h\) handelt es sich um das plancksche Wirkungsquantum.

Das elektromagnetische Spektrum

Elektromagnetische Strahlung begegnet uns im Alltag in vielen verschiedenen Formen. Sichtbares Licht beispielsweise ist der Bereich des Spektrums mit einer Wellenlänge von \(380~\mathrm{nm}\) bis \(780~\mathrm{nm}\). Dies entspricht einer Wellenlänge von \(3{,}84 \cdot 10^{14}~\mathrm{Hz}\) bis \(7{,}89 \cdot 10^{14}~\mathrm{Hz}\) beziehungsweise einer Energie von \(1{,}59~\mathrm{eV}\) bis \(3{,}26~\mathrm{eV}\).
Höherenergetische Strahlung wird als ultraviolett oder UV-Strahlung bezeichnet. Ab einer Energie von etwa \(100~\mathrm{eV}=0{,}1~\mathrm{keV}\) spricht man von Röntgenstrahlung, was einer Wellenlänge von weniger als \(10~\mathrm{nm}\) entspricht. Bei Photonenenergien ab etwa \(200~\mathrm{keV}\) spricht man von Gammastrahlung, wobei auch derartig energiereiche Röntgenstrahlung erzeugt werden kann. Die unterschiedliche Benennung begründet sich mit den verschiedenen Entstehungsprozessen, die Wirkung von Strahlung gleicher Energie ist jedoch identisch.
Auf der anderen Seite des Spektrums folgt auf das sichtbare Licht zunächst die Infrarotstrahlung, welche auch als Wärmestrahlung bezeichnet wird. Bei Wellenlängen von \(1~\mathrm{mm}\) oder größer spricht man von Mikrowellen, ab Wellenlängen von etwa \(10~\mathrm{cm}\) oder Frequenzen, die kleiner als \(3~\mathrm{GHz}\) sind, von Radiowellen.
Jeder Frequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums findet eine andere Anwendung.

Wechselwirkung und Transparenz

Wenn Strahlung auf Materie trifft, so gibt es verschiedene mögliche Vorgänge, welche sich nicht gegenseitig ausschließen.

• Die Strahlung wird transmittiert: Dabei durchquert die Strahlung die Materie und tritt am Ende auch wieder aus der Materie aus.
• Die Strahlung wird absorbiert: Durch verschiedene Prozesse im Inneren der Materie (oder teilweise auch fast ausschließlich an der Oberfläche) wird die Energie der Strahlung auf die Materie übertragen. Im Allgemeinen erhöht sich dadurch die innere Energie der Materie, was sich durch eine höhere Temperatur äußert.
• Die Strahlung wird an der Oberfläche reflektiert: Dabei wird die Strahlung an der Grenzfläche zurückgeworfen, sodass (fast) kein Eindringen in die Materie stattfindet.

Üblicherweise findet an einer Grenzfläche, auf die Strahlung trifft, immer zu einem gewissen Teil Reflektion statt. Ein Teil der Strahlung dringt in die Materie an und bewegt sich dort weiter fort. Dabei kommt es in einem bestimmten Umfang zu Absorption, der nicht absorbierte Anteil der Strahlung tritt am Ende wieder aus der Materie aus.

Im Abschnitt zu den Vorgängen im Probeninneren wird genauer erläutert, zu welchen Wechselwirkungen es zwischen Strahlung und bestrahlter Materie trifft. An dieser Stelle können wir jedoch bereits festhalten, dass manche Feststoffe für sichtbares Licht transparent sind, also ein großer Anteil der Strahlung nicht absorbiert, sondern transmittiert wird. Beispiele hierfür wären Glas, Diamant oder Eis. Andererseits sind manche Stoffe nicht transparent für sichtbares Licht, dafür aber transparent für andere Bereiche elektromagnetischer Strahlung. Durch eine Hauswand beispielsweise kann man nicht sehen, allerdings kann man im Inneren des Hauses ein Radiosignal empfangen.

Biomasse ist in den meisten Fällen nicht transparent für sichtbares Licht. Trotzdem sind die Vorgänge oder der Zustand im Inneren in bestimmten Fällen von Interesse und meistens ist Aufschneiden und mit den eigenen Augen nachsehen nicht möglich. Betrachtet man die vorherigen Überlegungen zum elektromagnetischen Spektrum und der Strahlung und den unterschiedlichen Wechselwirkungen mit Materie, so kann man die Frage stellen: Gibt es Strahlung, für die der menschliche Körper transparent ist? Dann wäre es möglich, "durch den Menschen durch zu sehen". Bei genauerer Betrachtung wäre dann jedoch nichts gewonnen, da "hindurch sehen" etwas anderes ist als "hinein sehen".
Die obige Frage müsste also eher so formuliert werden: Gibt es Strahlung, für die der menschliche Körper teilweise transparent, teilweise weniger transparent ist, sodass aus einer "Durchleuchtung" Information über das Körperinnere gewonnen werden kann? Die Antwort auf diese Frage ist Ja und bei der gesuchten Strahlung handelt es sich um Röntgenstrahlung mit bestimmten Parametern. Genaueres dazu steht im Abschnitt zu den Vorgängen im Probeninneren. Zur Erzeugung der Strahlung und zur Variation mittels verschiedener Parameter gibt es eigene Level.