| © T. Möller, Thieme

1 Physikalische Grundlagen

O. Jäkel; C. P. Karger

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1.1 Strahlungsarten

1.1.1 Einführung

Mit Strahlung bezeichnet man die freie Ausbreitung von Energie im Raum. Man unterscheidet Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung) und Wellenstrahlung (elektromagnetische Strahlung). Während Teilchenstrahlung Masse transportiert, ist dies bei Wellenstrahlung nicht der Fall. Die Bestandteile der Teilchenstrahlung, die Teilchen, können elektrisch geladen oder ungeladen sein. Wellenstrahlung ist stets ungeladen.

In der Quantentheorie werden der Wellenstrahlung Teilcheneigenschaften zugesprochen. Daher wird elektromagnetische Wellenstrahlung auch als Photonen- oder Quantenstrahlung bezeichnet.

Eine wichtige Eigenschaft jeder Strahlung ist ihre Energie, die in Joule (J) gemessen wird.

Die durch Strahlung transportierte Energie ist sehr viel kleiner als 1 Joule. Man verwendet daher eine spezielle Energieeinheit: das Elektronenvolt (eV).

Eine Ladung Q wird durch elektrische Felder beschleunigt. Beim Durchlaufen einer Spannungsdifferenz U gewinnt sie die kinetische Energie (Ekin): Ekin = Q · U.

Für die Umrechnung gilt: 1 eV = 1,602 · 10–19 J. Häufig werden folgende Vielfache eines Elektronenvolts verwendet:

Millielektronenvolt: 1 meV = 0,001 eV = 10–3 eV

Kiloelektronenvolt: 1 keV = 1 000 eV = 103 eV

Megaelektronenvolt: 1 MeV = 1 000 000 eV = 106 eV

Gigaelektronenvolt: 1 GeV = 1 000 000 000 eV = 109 eV

1.1.2 Teilchenstrahlung (Korpuskularstrahlung)

Die Bestandteile der Teilchenstrahlung, die Korpuskeln, besitzen eine Ruhemasse (mo) und können eine Ladung tragen. Ihre Geschwindigkeit ist immer kleiner als die Lichtgeschwindigkeit und ergibt sich aus ihrer Energie. Die Energie setzt sich aus der sog. Ruheenergie Eo und der Bewegungsenergie Ekin zusammen:

 

Die Ruheenergie ergibt sich aus der Ruhemasse und der Lichtgeschwindigkeit (c) (Äquivalenz von Masse und Energie):

 

Häufig wird daher statt der Masse eines Teilchens seine Ruheenergie angegeben.

Als Elementarteilchen bezeichnet man subatomare Teilchen. Es gibt stabile (Elektron [e], Proton [p]) und instabile Elementarteilchen (z. B. Pionen, freie Neutronen [n]). Zu jedem dieser Teilchen existiert ein Antiteilchen. Das Antiteilchen des negativ geladenen Elektrons ist das positiv geladene Positron. In ▶ Tab. 1.1 sind die wichtigsten Teilchen und ihre Eigenschaften aufgeführt. Die Bezeichnung „α-Teilchen“ für den Heliumkern bzw. „β-Teilchen“ für Elektron und Positron stammt aus der Zeit ihrer Entdeckung, als sie nicht genauer charakterisiert werden konnten.

Tab. 1.1 Die wichtigsten Teilchen und ihre Eigenschaften

Teilchen

Ladung

Masse im Vergleich zum Elektron

Energie bei einer Reichweite von 10 cm

Elektron (β–)

–1

1

20 MeV

Positron (β+)

+1

1

20 MeV

Proton

+1

1836

115 MeV

Neutron

0

1839

–*

α-Teilchen (Heliumkern)

+2

7294

450 MeV

* Die Reichweite von Neutronen ist wie bei Photonen nicht begrenzt, es findet nur eine exponentielle Schwächung der Intensität statt.

1.1.3 Wellenstrahlung (elektromagnetische Strahlung)

Elektromagnetische Wellen bestehen aus einem elektrischen und einem magnetischen Feld. Diese Felder sind periodisch veränderlich und schwingen senkrecht zueinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

In der Quantentheorie werden elektromagnetischen Wellen Teilcheneigenschaften zugesprochen. Diese Teilchen, Photonen, tragen weder Masse noch Ladung, sondern nur die Energie der Strahlung.

Wellen werden durch ihre Wellenlänge λ, ihre Frequenz f und ihre Amplitude A beschrieben.

Als Wellenlänge bezeichnet man den Abstand zwischen zwei Wellenbergen einer Welle. Er wird in Metern gemessen.

Als Frequenz f bezeichnet man die Zahl der Schwingungen pro Sekunde. Die Einheit ist 1/s = 1 Hertz (Hz). Auch die Vielfachen kHz, MHz und GHz werden verwendet.

Als Amplitude A einer Welle bezeichnet man die Schwingungsweite (den maximal erreichten Abstand von der Mittellage). Die Amplitude bestimmt die Intensität einer Welle.

Wellenlänge λ und Frequenz f sind über die Ausbreitungsgeschwindigkeit c der Welle verknüpft: c = λ · f. Elektromagnetische Strahlung breitet sich stets mit Lichtgeschwindigkeit aus. Die Lichtgeschwindigkeit (c) beträgt im Vakuum ca. 300 000 km/s.

Die Energie E der elektromagnetischen Strahlung ist ihrer Frequenz f proportional: E = h · f. Die Naturkonstante h ist das Planck’sche...