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. Typischerweise bezieht sich Bremsstrahlung aber auf eine Verlangsamung von Elektronen in Anwesenheit eines elektrischen Feldes, eines Coulombfeldes^[2]. Immer wenn das in Folge eines elektrischen Feldes passiert, sendet das Teilchen elektromagnetische Strahlen 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.

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 (externer Link)

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 Energiepaekte 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 (externer Link)

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 (externer Link)