Wechselwirkung von Strahlung Anwendung von Strahlen an verschiedenem organischen Gewebe, allgemeine Strahlenphysik, Strahlentherapie, Weitergabeskript

1. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
Strahlenphysik und des Strahlenschutzes
11.09.2018
1
Wechselwirkung von Strahlung mit
Materie
Agenda
 Definition Strahlung
 Unterschiedliche Strahlungsarten
 Wechselwirkung Photonen mit Materie
 Wechselwirkung mit den Elektronen der Atomhülle
 Wechselwirkung mit dem Kernfeld
 Wechselwirkung mit dem Atomkern
 Schwächungsgesetz
 Lumineszenz
 Ionisation
 Halbeleitereffekt
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik

2. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
Strahlenphysik und des Strahlenschutzes
11.09.2018
2
Was ist Strahlung?
Strahlung ist die
Übertragung von
Energie von
einem Ort zu
anderen.
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Was für Strahlungsarten gibt es?
 Klassifizierung nach Ionisationsvermögen:
 Direkt ionisierende Strahlung
 Indirekt ionisierende Strahlung
 Klassifizierung nach Entstehung:
 Radioaktivität
 Bremsstrahlung
 Klassifizierung nach Linearem Energietransfer:
 Locker ionisierende Strahlung (LET klein)
 Dicht ionisierende Strahlung (LET groß)
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3. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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3
Ausbreitung von Strahlung
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Ausbreitung von Strahlung
 Bei punktförmiger Quelle
und ohne Wechselwirkung
mit Materie:
Intensitätsabnahme nach
dem quadratischen
Abstandsgesetz
 Geometrischer Effekt !!!
 Bei Wechselwirkung mit
Materie:
 Streuung
 Schwächung (Absorption)
 Wirkung auf Materie:
 Anregung
 Ionisation
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4. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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4
Elektromagnetische Strahlung
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Röntgenstrahlen in der Medizin
 Der Energiebereich der
in der Medizin
verwendeten
Photonenstrahlung ist
im Bereich von
10 keV – 50 MeV
 Worauf beruht nun die
Anwendbarkeit von
Röntgenstrahlen?
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5. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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5
Wechselwirkung Photonen mit
Materie
Worauf beruht nun die Anwendbarkeit von Röntgenstrahlen?
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Besonderheiten von Photonen
 Photonen tragen keine Ladung deshalb
 Ist die Wahrscheinlichkeit einer Wechselwirkung im Vergleich zu
geladenen Teilchen sehr klein.
 Ist die Durchdringungstiefe der Photonen sehr hoch, sie haben
eine große Reichweite.
 Durchleuchtung dicker Schichten ist möglich (z.B. in der
Röntgendiagnostik oder Materialprüfung).
 Bestrahlung tiefliegender Tumoren in der Strahlentherapie ist
möglich.
 Hoher Aufwand, um ausreichenden Strahlenschutz zu
erreichen, ist nötig.
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6. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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6
Wechselwirkung Photonen mit Materie
 Die wichtigsten Eigenschaften sind:
 Schwächungseffekt: Röntgenstrahlen können Stoffe
durchdringen und werden dabei geschwächt.
 Lumineszenzeffekt: Röntgenstrahlen vermögen bestimmte
Stoffe zur Lichtemission anzuregen.
 Ionisationseffekt: Röntgenstrahlen ionisieren Gase.
 Biologischer Effekt: Röntgenstrahlen können Veränderungen
am lebenden Gewebe herbeiführen.
 Photographischer Effekt: Röntgenstrahlen bewirken die
Schwärzung photographischer Filme.
 Halbleitereffekt: Röntgenstrahlen ändern die Leitfähigkeit und
Ladung von Halbleitern.
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Schwächung von Photonenstrahlen
Wechselwirkung
mit den Elektronen
der Atomhülle
Klassische
Streuung
Compton‐
Streuung
Photoeffekt
Wechselwirkung
mit dem Kernfeld
Paarbildung über
1,02 MeV
Wechselwirkung
mit dem Atomkern
Kernreaktion bei
sehr hohen
Photonenenergien
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7. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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7
Klassische Streuung
 Das gestreute Photon hat die
gleiche Energie, bewegt sich
aber in einer anderen
Richtung als das einlaufende
Photon.
 Die Schwächung der
Strahlung erfolgt nur durch
Aufstreuung. Es findet keine
Energieumwandlung oder
Absorption statt.
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Schwächungskoeffizient k
 Der Anteil der klassischen Streuung an der
Gesamtschwächung eines Photonenstrahls beim
Durchgang durch Materie liegt beträgt maximal 10 -
15%.
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𝜎 ~
𝜌 · 𝑍 · 𝐸
𝐴

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8
Compton-Streuung
 Wechselwirkung eines
Photons mit einem äußeren
Hüllenelektron mit der
Übertragung eines Teils seiner
Energie und seines Impulses
 Ablenkung des Photons aus
seiner ursprünglichen
Richtung.
 Das Elektron verlässt die
Atomhülle (Ionisation).
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Schwächungskoeffizient c
 Bei weicher Röntgenstrahlung: geringer
Energieübertrag auf das Elektron mit geringer
Reichweite.
 Bei harter Röntgenstrahlung: großer Energieübertrag
auf das Elektron mit großer Reichweite
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𝜎 ~
𝜌
𝐸

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9
Photoeffekt (Photoionisation)
 Wechselwirkung eines
Photons mit einem inneren
Hüllenelektron.
 Das Photon wird vollständig
absorbiert und ein
Photoelektron freigesetzt.
 Das Photoelektron verlässt
das Atom und übernimmt die
überschüssige Energie als
Bewegungsenergie
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Schwächungskoeffizient 
 Der Photoeffekt dominiert bei niedriger
Photonenenergie und hoher Ordnungszahl des
Absorbermaterials.
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𝜏~
𝜌 · 𝑍
𝐴 · 𝐸

10. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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10
Paarbildung
 Bei der Paarbildung wird im
elektrischen Feld eines
Atomkerns spontan eine
Elektron-Positron-Paar
gebildet.
 Die Energie E des Photons
muss mindestens 1.022 keV
betragen.
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Schwächungskoeffizient 
 Wenn das Positron auf ein Elektron trifft, werden beide
Teilchen vernichtet und es entstehen Photonen mit einer
Energie von jeweils 511 keV.
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~
𝜌 · 𝑍 · log 𝐸
𝐴

11. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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11
Kernphotoeffekt
 Der Kernphotoeffekt ist eine Kernreaktion, bei der das
einfallende Teilchen ein Photon ist.
 Es gibt zwei Reaktionen mit wesentlicher Bedeutung:
 Ein Photon wird von einem Atomkern absorbiert und ein Neutron
wird abgegeben. Dieser Prozess wird als (,n)-Reaktion
bezeichnet.
 Ein Photon wird von einem Atomkern absorbiert und ein Proton
wird abgegeben. Dieser Prozess wird als (,p)-Reaktion
bezeichnet.
 Die Energie des Photons muss mindestens der
Bindungsenergie des am schwächsten gebundenen
Nukleons im Kern entsprechen, damit der Effekt stattfindet.
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Kernphotoeffekt
Reaktion Schwelle [MeV] Tochternuklid Zerfallsart T1/2 E [keV]
12C (,n) 18,7 11C* +, EC 20,4 min 511
14N (,n) 10,5 13N* + 9,96 min 511
16O(,n) 15,68 15O* +, EC 122 s 511
16O(,n) 28,9 14O* +,  70,6 s 511, 2313
27Al(,n) 12,7 26Al* +, EC,  6,4 s 511, 1810
63Cu(,n) 10,8 62Cu* +, EC 9,73 min 511
208Pb (,n) 7,9 207Pb stabil ‐ ‐
12C (,p) 16,0 11B stabil ‐ ‐
16O (,p) 12,1 15N stabil ‐ ‐
27Al (,p) 8,3 26Mg stabil ‐ ‐
63Cu (,p) 6,1 62Ni stabil ‐ ‐
208Pb (,p) 8,0 207Ti* ‐ 4,8 min ‐
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*: radioaktives Tochternuklid

12. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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12
Schwächung von Photonenstrahlen
Klassische Streuung
• Mittlere Energie
• Keine Abhängigkeit von der Ordnungszahl
Compton‐Streuung
• Niedrige Energie
• Hohe Ordnungszahl
Photoeffekt
• Hohe Energie über 1.022 keV
Paarbildung
• Hohe Energie im Bereich von 6 – 20 MeV
Kernphotoeffekt
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Flächendiagramm der Wechselwirkung
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13. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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13
Schwächungsgesetz
 Die Vorgänge der Schwächung durch die
Wechselwirkung (homogener) Röntgenstrahlung mit
Materie lassen quantitativ sich durch das
Schwächungsgesetz beschreiben.
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Massenschwächungskoeffizient
 Der Massenschwächungskoeffizient gibt die relative
Schwächung der auffallenden Intensität bei einer
Massenbelegung von 1 g/cm2 an.
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𝜇
𝜌
ln
𝐼
𝐼
𝑑 · 𝜌

14. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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14
Linearer Schwächungskoeffizient
 Der lineare Massenschwächungskoeffizient setzt sich
aus den Schwächungskoeffizienten aller
Wechselwirkung zusammen.
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
Schwächungskoeffizient für versch. Materialien
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15. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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15
Schwächungskoeffizient für Wasser
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Tiefendosis
 Energiedosis nach
Wechselwirkung der
Photonen mit Materie
 energieabhängiger Verlauf
der Tiefendosiskurve
 Dosismaximum: Aufbau
des Sekundärelektronen-
gleichgewichts
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16. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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16
Lumineszenzeffekt
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
• Lichtemission erfolgt nur
während der Bestrahlung
Fluoreszenz
• Die absorbierte
Strahlenenergie wird
gespeichert und
fortlaufen als Licht
abgegeben
Phosphoreszenz
Die Lumineszenz ist ein Vorgang, bei
dem Röntgenstrahlen bestimmte Stoffe
zur Lichtemission anregen.
Lumineszenzeffekt
 In der fluoreszenzfähigen
Substanzen wird durch die
Röntgenstrahlung ein Elektron
von einer inneren Schale auf
eine unbesetzte Stelle einer
äußeren Schale angehoben.
 Beim Zurückfallen auf die
innere Schale wird ein
Lichtquant frei.
 Die Energie des Lichtquants
entspricht der
Energiedifferenz der beiden
Schalen.
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17. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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17
Ionisationseffekt
 Röntgenstrahlen bewirken
beim Durchtritt durch ein
Gas Ionisation.
 Beim Aufprall eines
energiereichen
Röntgenquants kann aus
dem Gasmolekül ein
Elektron austreten.
 In einem elektrischen Feld
wandert das Elektron zur
positiven Elektrode und
das positive Molekül zur
negativen.
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Photographischer Effekt
 Röntgenstrahlen können
ebenso wie Licht fotografische
Filme direkt schwärzen.
 Ohne eine fluoreszierende
Folie wird allerdings eine ca.
10-20fach größere Intensität
benötigt.
 Der Vorteil liegt in der
größeren Schärfe des
aufgenommenen Bildes.
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18. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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11.09.2018
18
Halbleitereffekt
 Röntgenstrahlen können die
Leitfähigkeit von
Halbleitermaterialien
verändern.
 Einsatz in
Halbleiterdetektoren zur
Dosimetrie bzw.
Halbleiterdetektoren in der
Bildgebung
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik
Zusammenfassung
 Elektromagnetische Strahlung (Photonen) kann auf
unterschiedliche Arten mit Materie wechselwirken.
 Das Auftreten der Wechselwirkungsarten hängt von der
Ordnungszahl der Materie und der Energie der
Photonen ab.
 Die Schwächung der Photonenstrahlung wird durch den
Massenschwächungskoeffizient charakterisiert.
QB 11 – Wechselwirkung / Medizinische Physik

19. Vorlesung (QB 11) Grundlagen der
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19
Ausblick
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