Dr.
Joachim Lang - Radiologe am Klinikum Offenbach
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Dr.
Joachim Lang - Radiologe am Klinikum Offenbach
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Grundlagen der Aufnahme- und Durchleuchtungstechnik1. Atomaufbau Viele physikalische Erscheinungen lassen sich nur dann einfach und zufriedenstellend erklären, wenn man eine atomistische Struktur der Materie annimmt, d.h. den Aufbau aus kleinen Teilchen. Diese Vorstellung von der Teilchenstruktur der Materie wurde erstmals durch Untersuchungen Daltons (1809/10) angeregt. Chemische Elemente sind Stoffe, die sich nicht mehr in weitere stoffliche Bestandteile zerlegen und auch nicht ineinander umwandeln lassen. Die kleinsten Teilchen der Elemente, die noch dessen Eigenschaften besitzen und die chemisch nicht mehr weiter zerlegt werden können, sind die Atome. Die natürlich vorkommenden bzw. künstlich erzeugten Stoffe entstehen durch die Vereinigung von mehreren Atomen zu Molekülen. Moleküle sind somit die kleinsten Bausteine chemischer Verbindungen (z.B. H 2O, NaCl, O3). Die uns umgebende Materie ist aus 92 verschiedenen Atomen aufgebaut. Die einzelnen Moleküle sind aus diesen Atomen kombiniert und können aus 2 oder auch 100000 Atomen bestehen.Jedes Atom ist aus Nukleonen und Elektronen aufgebaut. Unter Nukleonen versteht man Protonen und Neutronen. Nukleonen und Elektronen werden auch als Elementarteilchen bezeichnet. Die wichtigsten Eigenschaften, in denen sich die Elementarteilchen unterscheiden können, sind
die Ruhemasse, die elektrische Ladung, der Spin (Eigendrehimpuls) und die mittlere Lebensdauer.
Die Masse ist ein Maß für die Menge eines Stoffes aber auch für seine Trägheit, d.h. für seinen Widerstand gegenüber Änderungen seiner Geschwindigkeit (Beschleunigung bzw. Verzögerung. Die Ruhemasse eines Elektrons beträgt 9,1091·10 -31 kg. Dagegen beträgt die Ruhemasse eines Protons 1,672·10-27 kg und die eines Neutrons 1,675·10-27 kg. Somit beträgt die Massenverteilung zwischen Atomkern und Elektronenhülle beim Wasserstoff etwa 1850 : 1.Die elektrische Ladung kann positiv oder negativ sein. Teile ohne diese Eigenschaft werden neutral genannt. Alle geladenen Elementarteilchen haben den gleichen Ladungsbetrag, die sog. Elementarladung. Gleichartig geladene Teilchen stoßen sich ab, verschiedenartig geladene Teilchen ziehen sich an. Zur Erklärung bestimmter Phänomene muß man davon ausgehen, daß sich die meisten Elementarteilchen um Ihre Achse drehen, daß sie also einen sog. Spin besitzen. Der Spin eines Elementarteilchens ist unveränderlich, kann jedoch durch äußere Faktoren, wie z.B. starke Magnetfelder oder Hochfrequenzfelder wie bei der Kernspintomographie kurzfristig verändert werden. Die mittlere Lebensdauer der Elementarteilchen ist sehr unterschiedlich - während ein Neutron nach ca. 17 Minuten zerfällt wenn es allein ist, zerfallen Elementarteilchen wie Pionen oder Myonen in millionstel oder milliardstel Sekunden. Rutherford und Bohr fanden, daß jedes Atom aus einem positiv geladenen Atomkern und aus negativ geladenen Elektronen besteht, die den Kern auf Kugelschalen umkreisen. Jedes Elektron umläuft den Kern mit einer bestimmten Energie auf einer Bahn mit bestimmtem Radius. Die Gesamtenergie des Elektrons nimmt mit wachsendem Bahnradius zu, d.h. die äußeren Bahnen entsprechen Zuständen mit höheren Energien. Dieses Bohrsche Atommodell wurde durch Sommerfeld erweitert - die Elektronen bewegen sich nicht nur auf Kreisbahnen um den Kern, sondern auch auf Ellipsen. Je nach Form der Ellipsenbahn ergibt sich so eine Untergruppierung für Elektronen einer Schale. Die Bezeichnungen der Schalen erfolgt mit K, L, M usw., die Unterschalen (sie kommen erst ab der L-Schale vor) werden mit römischen Ziffern bezeichnet (M III, NIV).
Es ist heute völlig geklärt, daß das Bohrsche Atommodell mit allen späteren Erweiterungen kein Abbild der Wirklichkeit ist. Alle Modellvorstellungen haben sich jeweils nur für einige Bereiche der Erscheinungen als gedankliche Hilfsmittel als brauchbar erwiesen. Durch die Quantenmechanik (Schrödinger, Heisenberg u.a. ab 1926) werden auch noch feinere Züge der Atome erfaßt und wirklichkeitsnah beschrieben. Zugleich aber geht die Anschaulichkeit der Vorstellungen verloren; die bisher erläuterten einfachen Bilder von Elektronenbahnen oder -schalen können in den neuen Theorien nicht mehr verwendet werden. Jedes Atom wird durch seine Massen- und Protonenzahl gekennzeichnet: Wasserstoff besitzt z.B. die Massenzahl 1 und die Protonenzahl 1. Lithium besitzt die Massenzahl 6 und die Protonenzahl 3 - verfügt also offensichtlich über 3 Neutronen. Da Protonen- und Elektronenzahl bei neutralen Atomen gleich ist, besitzt es mit steigender Protonenzahl auch mehr Elektronen und Elektronenschalen. Die Protonenzahl entspricht der Ordnungszahl des Elements im Periodensystem der Elemente. Atome mit gleicher Ordnungszahl aber unterschiedlicher Massenzahl (also mit unterschiedlichen Neutronenzahlen) nennt man Isotope. Die maximale Zahl an Elektronen pro Schale ist konstant (K-Schale 2, L-Schale 8, M-Schale 18 usw.). Wenn eine innen gelegene Schale gefüllt ist, wird die nächste weiter außen liegende Schale "eröffnet". Nach Bohr kann ein Atom Energie nur in Sprüngen (Energiequanten) aufnehmen oder abgeben. Trifft ein Atom mit einem Strahlenquant zusammen, so wird es dadurch angeregt. Die Anregung drückt sich durch einen Sprung eines Elektrons aus einer inneren auf eine weiter außen gelegene (energiereichere) Schale aus (Strahlungsabsorption). Meist kommt es dann nach einer kurzen Verweilzeit (üblicherweise 10 -8s) zu einer Rückkehr in den Grundzustand. Die dabei frei werdende Energie wird in Form eines Energiequants wieder abgegeben (Strahlungsemission). Je nach der Energie des einfallenden Quants handelt es sich bei der Strahlung um sichtbares Licht, um UV-Strahlung oder um Röntgenstrahlung. Angeregte Atome sind oft chemisch reaktionsfreudiger als Atome im Grundzustand. Sie können daher im angeregten Zustand an chemischen Prozessen teilnehmen, an denen sie sonst nicht beteiligt sind. Dies ist bei der biologischen Strahlenwirkung von Bedeutung.Wenn einem Atom ein Energiebetrag von außen zugeführt wird, der die Bindungsenergie eines Elektrons übersteigt, dann wird das Elektron aus dem Bereich der elektrischen Anziehung des Kerns entfernt, also vom Atom losgelöst. Dieser Vorgang heißt Ionisation. Diese Ionisierung kann entstehen durch den Zusammenstoß des Atoms mit einem geladenen Teilchen (Elektron, Proton usw.) das genügend kinetische Energie (Bewegungsenergie) besitzt. Diesen Prozeß nennt man Stoßionisation. Wird die Energie durch Absorption eines Photons, dessen Energie größer als die Bindungsenergie ist übertragen, so spricht man von Photoionisation. Das Photon ist nach dieser Wechselwirkung verschwunden - seine Energie wurde als kinetische Energie an das Elektron abgegeben. Die kinetische Energie ist dabei so groß wie die Differenz zwischen Photonenenergie und Ionisierungsenergie des Atoms. Die zur Ionisierung eines Atoms nötige Mindestenergie heißt Ionisierungsenergie und ist so groß wie die Bindungsenergie des am lockersten gebundenen Elektrons. Das äußerste Elektron eines Atoms ist am schwächsten gebunden und kann daher am leichtesten losgelöst werden.
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