Röntgenstrahlen werden absorbiert, wenn sie Materie durchlaufen. Wenn ein Röntgenstrahl der Intensität I einen Absorber mit einem photonenenergieabhänigen linearen Absorptionskoeffizienten µ(E) durchläuft, ist der Intensitätsverlust in guter Näherung proportional zur Intensität und der Dicke des Absorbers x:
Integration ergibt den Intensitätanteil I(x) des mit der Intensität I0 einfallenden Strahls, der hinter dem Absorber zu finden ist:
Der lineare Absorptionskoeffizient µ ist mit dem Absorptionskoeffizienten β korreliert über
wobei β (Liste mit β-Werten z. B. hier) der Imaginärteil des komplexen Brechungsindex n* ist:
Es gibt drei Effekte, die zur Röntgenabsorption beitragen: der Compton-Effect, der Photoelektrische Effekt und die Paarbildung. Jeder dieser Effekte trägt zum Absorptionsquerschnitt σtotal bei, der die Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass ein Photon beim Durchlaufen einer Materieschicht mit der Materie wechselwirkt:
Die meisten Röntgenoptiken nutzen Photonenenergien unter 1 MeV. In diesem Fall ist der bei weitem überwiegende Anteil der Absorption auf die photoelektrische Absorption zurück zu führen.
Abb. 1: Der gesamte Massenabsorptionskoeffizient für Blei mit den Beiträgen aus der Photoelektrischen Absorption, der Compton Streuung und Elektron-Positron-Paarbildung [Eng 1966]
Photoelektrische Absorption entsteht, wenn ein Röntgenphoton Energie auf ein Elektron im Absorber überträgt. Die in den Atomen gebundenen Elektronen weisen diskrete Energieniveaus auf. Die Energiedifferenzen bei einem Wechsel zwischen diesen Energieniveaus sind in Abb. 2 dargestellt.
Abb. 2: Elektronenbindungsenergien in Abhängigkeit von der Ordnungszahl der Atome und von der Art des Übergangs: Daten herunterladen [Hen 1993]
Für die inneren Elektronenniveaus steigt die Bindungsenergie etwa proportional zum Quadrat der Ordnungszahl Z. Dieser Zusammenhang ist als Moseley'sches Gesetz bekannt [Mos 1913]:
mit dem Planck'schen Wirkungsquantumh, der Frequenz f des bei einem Übergang eines Elektrons zwischen zwei Niveaus mit den Hauptquantenzahlenm und n absorbierten (oder emittierten) Photons, Ry der Rydberg Konstante, Z der Ordnungszahl und einem Abschirmungsfaktor K (die Kernladungszahl erscheint für das betrachtete Elektron kleiner, wenn sich weitere Elektronen auf den inneren Niveaus befinden). Ry ist
mit der Feinstrukturkonstante
und der Compton-WellenlängeλC,e des Elektrons.
| [Eng 1966] | H. A. Enge, Introduction to nuclear physics, S. 193, Addison-Wesley, 1966 |
| [Hen 1993] |
B. L. Henke, E. M. Gullikson, and J. C. Davis. X-ray interactions: photoabsorption, scattering, transmission, and reflection at E=50-30000 eV, Z=1-92, Atomic Data and Nuclear Data Tables, Band. 54 (no.2), S. 181-342, Juli 1993 |
| [Mos 1913] | H. G. J. Moseley, The High Frequency Spectra of the Elements, Phil. Mag., p. 1024, 1913 |