Röntgen und Röntgenfluoreszenz
Bowman RFA-Analysatoren verwenden Röntgenfluoreszenz für die Analyse der Materialstärke und Zusammensetzung. Röntgen wurde vom deutschen Physiker Wilhelm Conrad Röntgen in 1895 entdeckt. Er nannte die unbekannte Lichtquelle, durch die sein Film belichtet wurde, „Röntgen“ und veröffentlichte seine Entdeckung mit einem Röntgenbild seiner Hand.
Heute weiß man, dass Röntgenstrahlen eine Form elektromagnetischer Strahlung im Bereich zwischen Ultravioletten- und Gammastrahlen ist. Die meisten Röntgenstrahlen haben, wie in Abbildung 1 dargestellt, eine Wellenlänge von 10 bis 1 Nanometer, wobei die Frequenz von niedrig bis hoch angeordnet ist.
Wilhelm Conrad Röntgen wurde 1901 mit dem ersten Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Röntgenstrahlung kann auch als ein Teilchen (Photon) definiert werden und wird unter Verwendung der Energieeinheit eV beschrieben. Energieeinheit und Wellenlängeneinheit sind austauschbar. Daher ist Röntgenstrahlung sowohl Welle als auch Teilchen. Dies ist wichtig zum Verständnis der Röntgeneigenschaften.
Röntgenstrahlen können durch Bremsstrahlung erzeugt werden, d. h. durch abgelenkte Elektronen oder andere geladene Teilchen. In einer Röntgenröhre werden Elektronen auf das Targetmaterial beschleunigt. Beim Aufprall wird die kinetische Energie der Elektronen in Röntgenstrahlung und Wärme umgewandelt.
Es ist interessant festzustellen, dass die Welleneigenschaften den photoelektrischen Effekt nicht erklären können. Albert Einstein und Max Planck schlugen vor, dass Licht sich nicht wie eine Welle verhält, sondern wie diskrete "Pakete" mit einem bestimmten Energiegehalt. Jahre später nannte der amerikanische Chemiker Gilbert Lewis die Lichtpakete Photonen. Aber die Menschen blieben Einsteins Theorie gegenüber skeptisch bis 1923, als der amerikanische Physiker Arthur Compton die Röntgenstreuung entdeckte. Er beschoss Graphit mit Röntgenstrahlen und stellte fest, dass die Röntgenstreuung weniger Energie hat. Das Phänomen wurde Compton-Streuung genannt, was durch die Einstein-Planck-Theorie erklärt wird. Bei der Kollision mit einem Elektron überträgt ein Teilchen wie ein Röntgenstrahl einen Teil seines Impulses auf das Elektron, wodurch der Röntgenstrahl in eine andere Richtung abgelenkt und mit weniger Energie und einer anderen Wellenlänge emittiert wird.
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Obwohl die Einstein-Planck-Theorie die Compton-Streuung erklärt, gibt es ein Problem. Um einen Impuls zu besitzen, muss ein Photon Masse haben, denn die Definition des Impulses in der klassischen Physik ist Masse mal Geschwindigkeit. Aber ein Photon hat keine Masse. Die Antwort kam von Einstein, der postulierte, dass Energie und Masse im fundamentalen Sinne äquivalent und austauschbar sind. Er formulierte sein Konzept in der berühmten Gleichung E = MC2. Jahre später erhielt Einstein für seine photoelektrische Theorie den Physik-Nobelpreis.
Die Röntgenfluoreszenz hängt mit der photoelektrischen Wechselwirkung zusammen. Bei der photoelektrischen Wechselwirkung wird ein Elektron aus seiner Umlaufbahn gestoßen, wodurch eine Lücke entsteht. Elektronen aus Bahnen mit höherer Energie können sich bewegen, um diese Lücke zu füllen. Die Energiedifferenz zwischen den beiden Bahnen wird als Fluoreszenz-Röntgenstrahlung, d. h. als sekundäre Röntgenstrahlung, freigesetzt. Die Fluoreszenz-Röntgenstrahlung jedes Elements hat eine charakteristische Energie, die als charakteristische Röntgenstrahlung bezeichnet wird.
Abbildung 1
Wilhelm Conrad Roentgen
1845 – 1923
Gilbert N. Lewis
1875 – 1946
