Photonenergie

Elektromagnetische Strahlung besteht aus diskreten Energiequanten, den Photonen. Die Energie eines Photons hängt direkt von der Frequenz der Strahlung ab und ist umgekehrt proportional zur Wellenlänge. Es gilt:

$${\displaystyle E=h\cdot f}$$

• ${\displaystyle E}$ – Photonenergie
• ${\displaystyle h}$ – Planck-Konstante
• ${\displaystyle f}$ – Frequenz der Strahlung

Da Frequenz und Wellenlänge miteinander verknüpft sind, lässt sich die Photonenergie auch schreiben als:

$${\displaystyle E={\frac {h\cdot c}{\lambda }}}$$

• ${\displaystyle c}$ – Lichtgeschwindigkeit
• ${\displaystyle \lambda }$ – Wellenlänge

Damit gilt: Je kürzer die Wellenlänge einer Strahlung, desto höher ist ihre Photonenergie.

Die Photonenergie wird in der medizinischen Strahlenphysik üblicherweise in Elektronenvolt (eV) angegeben. Für diagnostische Röntgenstrahlung liegen typische Energien im Bereich von 20 bis 150 Kiloelektronenvolt (keV), Gammastrahlung in der Nuklearmedizin meist im Bereich von mehreren hundert keV.

Die Photonenergie bestimmt maßgeblich, wie Photonen mit Materie wechselwirken. Verschiedene Wechselwirkungsmechanismen treten bevorzugt in unterschiedlichen Energiebereichen auf, beispielsweise:

• Photoeffekt bei niedriger Photonenergie
• Compton-Effekt bei mittlerer Photonenergie
• Paarbildung bei sehr hoher Photonenergie

Diese Prozesse bestimmen die Strahlenschwächung und damit den Bildkontrast in der radiologischen Bildgebung.

In der Röntgendiagnostik wird die mittlere Photonenergie der erzeugten Strahlung im Wesentlichen durch die Röhrenspannung der Röntgenröhre bestimmt. Eine höhere Röhrenspannung führt zu Photonen mit höherer Energie. Die Photonenergie beeinflusst mehrere wichtige Eigenschaften der Bildgebung:

• Durchdringungsfähigkeit der Strahlung
• Anteil der verschiedenen Wechselwirkungsprozesse
• Bildkontrast und Strahlendosis

Die Wahl der geeigneten Photonenergie ist daher ein zentraler Bestandteil der Optimierung radiologischer Untersuchungen.