Ein Geiger-Müller-Zählrohr steht in der Mitte des Bildes. Das Gerät steht auf einem Tisch und ist kastenförmig. Zu sehen sind rot-leuchtende Zahlen am oberen Rand des Kastens mehrere Knöpfe am unteren Rand.

X-rays am XLAB

Während meiner letzten Herbstferien verbrachte ich eine Woche am XLAB in Göttingen, einem der größten Schülerlabore Deutschlands. Wie der Titel meines Artikels schon verrät, kann man beim XLAB unter anderem Experimente zum Thema Röntgenstrahlung durchführen. Die Röntgenstrahlung trägt ihren Namen zu Ehren ihres Entdeckers Wilhelm Conrad Röntgen. In anderen Sprachräumen bezeichnet man sie auch mit dem von Röntgen selbst verwendeten Begriff X-Strahlen (englisch: X-rays). Röntgenstrahlen sind vor allem durch ihre Anwendung in der Medizin bekannt geworden, da man mit ihnen den menschlichen Körper durchleuchten und somit Knochenbrüche sichtbar machen kann.

Als ich vor den Türen des XLAB stand, war ich zunächst nicht sicher, ob mir das Physik Camp wirklich gefallen würde. Schnell stellte ich aber fest, dass meine Sorgen unbegründet waren: Zum einen merkte ich nach der ersten Kennenlern-Runde sofort dass sowohl die Teilnehmer als auch die Tutoren sehr nett waren. Zum anderen wurde für das Programm der kommenden Tage nicht mehr als Schulwissen vorausgesetzt.  

Was ist Röntgenstrahlung und wie kann sie erzeugt werden?

Röntgenstrahlung ist eine elektromagnetische Strahlung, genauso wie Licht oder Mikrowellen. Jede Strahlungsart hat ihren charakteristischen Wellenlängenbereich, dieser unterscheidet beispielsweise sichtbares Licht von unsichtbaren Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlung lässt sich von der Wellenlänge her zwischen UV-Strahlung und der Gammastrahlung, die bei Kernzerfällen entsteht, einordnen. Es gibt zwei Arten der Röntgenstrahlung, die kontinuierliche Bremsstrahlung und die charakteristische Strahlung.

Kontinuierliche Bremsstrahlung

Schematische Darstellung zur Erzeugung von Röntgenstrahlung.
Erzeugung von Bremsstrahlen

Kontinuierliche Bremsstrahlung kann man schon mit einfachen Methoden erzeugen. In unserem Versuchsaufbau beim XLAB verwendeten wir ein Kupferstück im Vakuum, das wir mit Elektronen beschossen. Die Elektronen wurden vorher mithilfe einer hohen Spannung zwischen einer negativ geladenen Platte (Kathode) und einer positiv geladenen Platte (Anode) beschleunigt.

Grafik mit zwei Achsen und einer typischen Kurve für das Spektrum der Bremsstrahlung. Ab einer kleinen Wellenlänge steigt die Intensität der Strahlung stark an und erreicht ein Maximum. Danach nimmt die Intensität der Röntgenstrahlung mit zunehmender Wellenlänge kontinuerlich ab.
Bremsstrahlung

Die schnellen und energiereichen Elektronen treffen auf die Metallplatte und stoßen dort gegen die Atome im Metallgitter. Dabei werden sie abgebremst und geben ihre Energie ab – hauptsächlich in Form von elektromagnetischer Strahlung, die man als Bremsstrahlung bezeichnet aber zum Teil auch als Wärme. Da alle beschleunigten Elektronen unterschiedlich viel Energie abgeben, enthält die ausgesandte Strahlung viele verschiedene Wellenlängen. In einem Spektrum haben wir die Intensität J (die Menge der abgegebenen Strahlung) in Abhängigkeit der Wellenlänge λ dargestellt.

Charakteristische Strahlung

Die charakteristische Strahlung hängt vom Aufbau der Atome des jeweiligen Metalls im Versuchsaufbau ab. Im vereinfachten Modell kann man es sich folgendermaßen vorstellen: Die Elektronen bewegen sich auf Bahnen um den Atomkern. Wenn ein schnelles Elektron mit viel Energie auf ein Atom trifft, kann es passieren, dass ein Elektron aus seiner Bahn in der Nähe des Atomkerns hinausgeschlagen wird. Dann rückt ein Elektron aus einer höheren Bahn auf die untere, frei gewordene nach. In diesem Fall gibt das nachrückende Elektron seine überschüssige Energie in Form von Röntgenstrahlung ab.

Grafik mit zwei Achsen für die Strahlungsintensität der Röntgenstrahlung und dem Winkel der vermessenen Röntgenblitze am Kristall.
Charakteristische Strahlung

Bei solchen Ereignissen wird vor allem Strahlung mit einer bestimmten Wellenlänge – die der Energiedifferenz zwischen den beiden Elektronenbahnen entspricht – erzeugt. Diese Röntgenstrahlung, die eine charakteristische Energie oder Wellenlänge besitzt, sticht im Spektrum mit einer hohen Intensität heraus. Je nachdem aus welcher Bahn ein Elektron in eine andere wechselt, besitzt die Strahlung unterschiedliche Wellenlängen.

Wie man Röntgenstrahlung mithilfe eines Kristalls untersucht

In einem weiteren Versuch haben wir die Zusammensetzung einer bestimmten Röntgenstrahlung untersucht. Wir wollten herausfinden, welche Art von Röntgenstrahlung entsteht, wenn man Elektronen auf eine Molybdän-Platte schießt.

Schematische Darstellung von Netzebenen in einem Kristall. Die Netzebenen werden als aufgereihte rote Punkte dargestellt. Einfallender und ausfallender Strahl sind mit gelben Linien gekennzeichnet.
Netzebenen in einem Kristall

Dazu verwendeten wir die sogenannte Drehkristallmethode: Wir lenkten unsere erzeugte Röntgenstrahlung auf einen Kristall, den wir langsam um eine Achse drehten. Durch die Drehung des Kristalls wird die Röntgenstrahlung in unterschiedlichen Winkeln reflektiert, die alle einer anderen Wellenlänge entsprechen.

Es stellte sich heraus, dass wir eine charakteristische Röntgenstrahlung bei drei unterschiedlichen Wellenlängen erzeugt hatten. Außerdem konnten wir auch noch die Bremsstrahlung vermessen, die deutlich weniger intensiv ist als die charakteristische Röntgenstrahlung, aber dafür viele Wellenlängen enthält.

Was das Physik-Camp noch zu bieten hatte

Neben den Röntgenstrahlen beschäftigten wir uns auch mit anderen Forschungsbereichen der Physik. Während einer „Masterclass“ werteten wir echte Daten des Europäischen Kernforschungszentrums CERN aus, stellten eigene Messungen zu kosmischen Strahlen an und führten Versuche mit radioaktiven Strahlern und Lasern durch. 

Schüler sitzen in einem Computerraum an Schreibtischen vor Rechnern und sehen gebannt auf die Bildschirme.
Teilchenphysik-Masterclass

Zum Abschluss des Physik Camps stellten wir uns gegenseitig unsere Arbeit der vergangenen Tage vor. Von den knapp zwanzig Teilnehmern kamen – entgegen meiner Erwartung – die meisten nicht aus Göttingen selbst, sondern aus dem gesamten Bundesgebiet. Übernachtet haben wir zusammen in einer Jugendherberge und auch das gemeinsame Essen im Bullerjahn – einem traditionsreichen Restaurant in Göttingen – war richtig gut.

Im Vordergrund ist eine blaue Laserschutzbrille zu sehen. Im Hintergrund ist ein Versuchsaufbau mit rotem Laserlicht teils durch die blaue Brille, teils frei zu sehen.
Laser-Experimente

Alles in allem war es eine sehr gelungene Woche. Besonders gefallen hat mir neben den Versuchen mit der Röntgenstrahlung die Teilchenphysik-Masterclass, da dies eine gute und verständliche Einleitung in das Standardmodell der Teilchenphysik war. Insgesamt wurde alles einfach und verständlich erklärt und auch ohne Vorwissen wurde mir alles recht schnell klar. Für interessierte und physikbegeisterte Jugendliche ist das Physik Camp am XLAB auf jeden Fall eine gute Möglichkeit, in die moderne Physik hineinzuschnuppern.