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Physik
& der Nachweis von
Röntgenstrahlen in der Medizin
Hintergrund: Fluoreszenz
Ohne die Fluoreszenz hätte Röntgen vielleicht nie die Röntgenstrahlen entdeckt. Die Röntgenstrahlen in seinem Laboratorium trafen ein fluoreszierendes Material. Daraufhin emittierten die getroffenen Atome sichtbares Licht. Durch Zufall sah Röntgen dieses Licht und begann eine sorgfältige systematische Untersuchung, diese führte ihn zu seiner Entdeckung, dass diese vorher unbekannten Strahlen ein Bild von seinen Knochen erzeugte
n.Heutzutage ist Fluoreszenz ein wertvoller Prozess für die Erzeugung von dem größten Teil unseres künstlichen Lichtes in unseren Gebäuden, in reflektierender gut sichtbarer Kleidung und in Geräten zur Analyse und Diagnose. Die am wenigsten komplizierte Erklärung für Fluoreszenz ist, dass Licht mit einer Frequenz oberhalb des sichtbaren Lichtes in die Materie eindringt. Dieses Licht wird absorbiert und die Energie wird in zwei Anteile aufgespalten. Der eine teil wird sichtbares Licht, das wir sehen wenn es aus der Materie austritt. Der Teil wird Wärmeenergie umgewandelt und verbleibt in der Materie. Das bedeutet, dass hochenergetisches Licht, da wir nicht sehen können, wie auch ultraviolettes Licht, wird umgewandelt in etwas, was wir sehen können.
Für gewöhnlich ist auf dem atomaren Niveau ein Festkörper mit drei Energiebändern für Umwandlung verantwortlich. Die drei Energiebänder entstehen durch Verunreinigungen, die sich im Festkörper befinden. Kontrolliert man die Art und die Menge der Verunreinigung, kontrolliert man die Wellenlängen, die absorbiert und emittiert werden. Dieser Prozess ist in der Abbildung unten dargestellt für den Fall, dass ein Material ultraviolettes Licht absorbiert und sichtbares Licht emittiert.
Die Aussendung einer Strahlung hat folgende Stufen:
- Hochenergetische (UV) Photonen bewirken, dass das Atom sich vom niedrigsten in den höchsten Anregungszustand bewegt.
- Daraufhin wird ein infrarotes Photon emittiert und das Atom fällt in einen intermediären Anregungszustand.
- Schließlich emittiert das Atom beim Übergang vom intermediären Anregungszustand in den niedrigsten Anregungszustand sichtbares Licht.
Diese drei Stufen sind unten für den Fall von sichtbarem Licht dargestellt.
Diese Abbildungen können erstellt werden mit Hilfe von der Spectroscopy Laboratory Suite
eine interaktive Visualisierung, die ein Teil des Visual Quantum Mechanics
Bildungsmaterial ist.
Vielleicht das allgemeine alltägliche Beispiel für Fluoreszenz im Bereich des sichtbaren Lichtes ist die Leuchtstoffröhre, die den größten Anteil unsers künstlichen Lichtes erzeugt. Quecksilbergas in der Röhre emittiert sowohl sichtbare als auch ultraviolette Photonen. Die sichtbaren Photonen transmittieren durch die Beschichtung der Röhre und erscheinen als Spektrallinien in Lichtspektrum der Röhre. Die ultravioletten Photonen werden von der inneren Beschichtung der Röhre absorbiert. Das Material in dieser Beschichtung wandelt diese Energie in sichtbares Licht durch den oben beschriebenen Prozess um. Die Farbe des Lichtes ist bestimmt durch das Material in der Beschichtung, dass die Energiedifferenzen zwischen den verschiedenen Energiezuständen bestimmt.
Für Röntgenstrahlen ist der Prozess ähnlich. Die einfallende Strahlung hat eine höhere Energie als das sichtbare Licht. Ein Röntgenphoton kann umgewandelt werden in sichtbares Licht und Wärmeenergie. Das war der Prozess der Röntgen ermöglichte die Strahlen zu "sehen". Gleichermaßen Röntgen's erste Fotographie - eine direkt Belichtung des Film durch die Röntgenstrahlen. Die Intensität der Röntgenstrahlen für diesen Prozess muss sehr hoch sein. Heutzutage bildverstärkende Elemente benutzen die sehr hohe Energie der Röntgenstrahlen zu ihre, Vorteil und erzeugen ein Röntgenbild mit sehr viel geringerer Dosis. Schauen sie bitte unter dem Kapitel "Film".
Thomas S. Warren Museum of Fluorescence
Dieses Museum beherbergt ausschließlich fluoreszierende Mineralien und Steine. Die Web-Seite hat ein paar Erläuterungen zu Fluoreszenzprozessen und einige interessante Bilder.
Die
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