P 167: Erzeugung von Röntgenspektren (K)
41. Erzeugung von Röntgenspektren
41.1 Beugung von Röntgenstrahlen
Spektren von Licht haben wir mit Prismen oder Gitter erzeugt.
Das solltet ihr euch in diesem Blog noch einmal ansehen.
Die Erzeugung von Spektren von Röntgenstrahlen ist nicht ganz einfach:
Brechung von Röntgenstrahlen findet nahezu nicht statt.
Es gibt deshalb keine richtigen Röntgenlinsen, Röntgenstrahlen gehen eben überall durch....Röntgenmikroskope arbeiten mit Interferenzen an sog. Zonenplatten (die liegen auch als Linse auf einem Overheadprojektor).
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| Carl Zeiss |
Es gibt auch nicht richtige Röntgenspiegel, Röntgenstrahlen gehen eben überall durch..Röntgenteleskope arbeiten mit Spiegeln, auf denen die Röntgenstrahlen fast flach auftreffen...dann ditschen die Photonen weg wie ein Stein auf Wasser und damit fokussiert man....
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| von links unten kommen die Röntgenphotonen und werden auf den Detektor geditscht... |
Also bleibt nur ein Gitter, um Röntgenspektren zu erzeugen.
Die Gitterkonstante muss aber in der Größe der Wellenlänge liegen. Das wäre in der Größenordnung von Atomen ...das ist mechanisch nicht zu machen...
Aber Kristalle bilden ein natürliches Gitter, an Kristallen hat man ja auch schon Elektronenwellen gebeugt:
Elektronenbeugung an Kristallen
Und in der Tat hat Max v.d.Laue 1912 einen Versuch zur Beugung von Röntgenstrahlung angeregt. Nachdem er von anderen erfolgreich durchgeführt wurde, bekam v.Laue 1914 was? Na den Nobelpreis für Physik...sonst hätten wir ihn hier nicht erwähnt....(mach uns keine Schande Leon....).
Vater und Sohn Bragg haben dann 1914 die Röntgenbeugung eingesetzt, um die Struktur von Kristallen zu untersuchen. Und was haben beide dafür bekommen: den Nobelpreis 1915...
Das Zustandekommen der folgenden Interferenzfiguren (Punkte, Ringe) braucht ihr nicht zu verstehen!
41.1.1 Laue Verfahren
Laue nutzt Röntgenstrahlen aller Wellenlängen, lenkt sie auf einen einzelnen Kristall. Nur bestimmte Wellenlängen bilden Interferenzmaxima, die man als belichtete Punke auf der Photoplatte (Negativ) sieht.
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| chemgapedia |
41.1.2 Debye-Scherrer-Verfahren
Hier wird ein Röntgenstrahl einer einzigen Wellenlänge auf ein Pulver aus vielen kleinen Kristallen gelenkt. Irgendein Kristall hat immer die richtige Lage und erzeugt ein Maximum. Es entstehen Kreisringe als Interferenzmaxima.
41.2 Bragg - Reflexion
Fassen wir zusammen:
Röntgenstrahlen kann man an Kristallgittern beugen. Das führt dann zu Interferenzmaxima wie bei einem Gitter.
Wir gehen davon aus, dass wir wie bei der Elektronenbeugung den Netzebenenabstand d kennen (das entspricht der Gitterkonstanten). Dann können wir die Wellenlänge der Strahlung berechnen (die Formel habt ihr schon verwendet):
n* λ = 2d*sin θ
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| nur unter einem bestimmten Winkel tritt Verstärkung auf. |
Diese Formel haben wir schon benutzt und auch hergeleitet.
Das solltet ihr euch ansehen. Die Bragg-Formel spielt in zwei Gebieten eine Rolle (Elektronenbeugung, Röntgenspektren).
41.3 Drehkristallmethode
Nehmen wir die Ordnung n=1 in der Braggformel und einen Kristall mit festem Ebenenabstand d. Dann können wir durch Variation des Einfallswinkels Θ beliebige Wellenlängen λ zu einem Interferenzmaxima bringen.
Variieren des Einfallswinkels heißt: Drehen des Kristalls.
Deswegen nennt man die Erzeugung von Röntgenspektren Drehkristallmethode.
Die Stärke der Maxima sagt etwas über die Intensität der Röntgenstrahlung bei dieser Wellenlänge aus.
Wir müssen diese Stärke nur noch messen.
Im Bild kann man auch unmittelbar erkennen:
Dreht man den Kristall um einen bestimmten Winkel, dann muss das Zählrohr um den doppelten Winkel gedreht werden.
41.4 Geigerzählrohr als Detektor
Geigerzähler sind die Geräte, die Ticken, wenn radioaktive Strahlung eintritt. Sie reagieren u.a. auf Gammastrahlen und natürlich auch auf Röntgenstrahlen (das sind ja "langwellige Gammaphotonen").
Ein Röntgenphoton ionisiert mehrere Gasatome im Zählrohr. Die so freigesetzten Elektronen werden zur Mitte zum positiv geladenenen Draht beschleunigt, erzeugen weitere Elektronen. Es entsteht ein kurzer Stromstoß, der verstärkt einen Lautsprecher zum Tick bringt.
Jeder Tick gehört zu einem Röntgenphoton, damit kann man Röntgenphotonen zählen.
Die Anzahl der Röntgenphotonen ist ein Maß für die Intensität der Röntgenstrahlen.
41.5 Versuch
Da sämtliche Röntgenröhren in unserer Schule seit Jahren kaputt sind, müssen wir uns auf diesen Online Versuch beschränken.
Schaut wenigstens mal zu, wie sich alles dreht und ein Röntgenspektrum entsteht.
Was man im Spektrum sieht, klären wir in den nächsten Posts.
Typischer Versuchsaufbau: |
| leifiphysik |
Und nun schaut zu:
Aufnahme eines Röntgenspektrums
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| nach leifiphysik |
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