Monat: Dezember 2010

Röntgenstrahlung

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Bei den Röntgenstrahlen handelt es sich um eine elektromagnetische Strahlung mit kürzeren Wellenlängen als das Licht. Sie unterscheidet sich von den Gammastrahlen und dem elektromagnetischen Bestandteil der kosmischen Strahlung nur durch die Entstehungsweise. Röntgenstrahlen sind unsichtbar, erzeugen Fluoreszenz, schwärzen Fotoplatten und können Atome ionisieren. Ähnlich Lichtstrahlen zeigen sie Reflexion, Brechung, Beugung, Interferenz und Polarisation, haben aber im Unterschied zum Licht ein hohes Durchdringungsvermögen für die meisten Stoffe. Die Röntgenstrahlung setzt sich zusammen aus der Bremsstrahlung, die beim plötzlichen Abbremsen schneller Elektronen beim Aufprall auf Materie entsteht (Ablenkung der Teilchen im elektrischen Feld der Atomkerne), und der charakteristischen Röntgenstrahlung (Eigenstrahlung, Röntgenfluoreszenzstrahlung) der Atome. Diese entsteht, wenn die kernnächsten, inneren Elektronen der Atomhülle angeregt wurden und von dem angeregten in einen energetisch tiefer liegenden Zustand zurückfallen. Die Bremsstrahlung zeigt ein kontinuierliches Spektrum, die charakteristischen Röntgenstrahlen sind Strahlen einer bestimmten Wellenlänge, im Spektrum deshalb als einzelne Linien erkennbar. Die Linien werden danach benannt, welche innere Schale beim jeweiligen Elektronenübergang »aufgefüllt« wird (K, L, M, N, … ), das K-Spektrum z. B. entsteht als Folge des Elektronenüberganges von höheren Schalen in die K-Schale. Die Frequenz der charakteristischen Röntgenstrahlen verschiebt sich nach dem Moseley-Gesetz (Moseley) mit steigender Ordnungszahl des emittierenden Atoms in den kurzwelligen Bereich. Auf Materie auftreffende Röntgenstrahlung kann Elektronen herauslösen (Röntgenfotoeffekt) oder wiederum neue Röntgenstrahlen erzeugen (sekundäre Röntgenstrahlen).

Einteilung und Anwendung:

Technisch werden Röntgenstrahlen meist mit Röntgenröhren erzeugt, wobei man ultraweiche (Wellenlängen > 1 nm), weiche (1‒0,1 nm), harte (0,1‒0,01 nm) und ultraharte (< 0,01 nm) Röntgenstrahlen unterscheidet. Die Röntgenstrahlen überschneiden sich am langwelligen Ende des Spektrums mit der UV-Strahlung Röntgen-UV (< 100 nm), bei kurzen Wellenlängen mit der Gammastrahlung. Sehr viel kurzwelligere (härtere) Röntgenstrahlen lassen sich mit Elektronenbeschleunigern (bis etwa 10-7 nm) erzeugen (Synchrotronstrahlung). Technisch nutzt man die Röntgenstrahlen v. a. in der Medizin, Metallurgie, Kristallografie und chemischen Analytik. Die für verschiedene Stoffe unterschiedliche Durchdringungsfähigkeit der Röntgenstrahlen wird besonders für medizinische Zwecke (Röntgenuntersuchung, Strahlenschäden, Strahlentherapie) und zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung angewandt. Weitere Verfahren zur Strukturuntersuchung sind u. a. Röntgenstrukturanalyse, Röntgenspektroskopie und Röntgenmikroskopie. ‒ Der Umgang mit Röntgenstrahlen unterliegt den Verordnungen des Strahlenschutzes. Zur Bestimmung der Dosis (Dosisleistung) von Röntgenstrahlen dienen Dosimeter.

Kryophysik

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Die Kryophysik oder auch Tieftemperaturphysik ist ein Spezialgebiet der Physik, das sich mit der Erzeugung und der Messung sehr tiefer Temperaturen (< 80 Kelvin) sowie mit der Untersuchung von Materialeigenschaften und Prozessen bei diesen Temperaturen befasst. Die Technik zur Erzeugung tiefer Temperaturen (Kryotechnik) nutzt bis zu etwa 1 Kelvin die Gasverflüssigung, vor allem von Stickstoff (Siedetemperatur 77 Kelvin), Wasserstoff (20,4 Kelvin) und Helium (4,2 Kelvin), die verflüssigt als Kühlmittel in Kryostaten eingesetzt werden. Erniedrigt man den Dampfdruck über der Flüssigkeit, so nimmt die Temperatur noch weiter ab. Durch Abpumpen von flüssigem Helium 4 können damit 0,8 Kelvin erreicht werden. Tiefste Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes werden mithilfe des elektrokalorischen und magnetokalorischen Effekts, spezieller Mischungseffekte bei suprafluidem Helium sowie der adiabatischen Entmagnetisierung erzielt. Durch Laserkühlung können stark verdünnte Gase (Atomstrahlen) in sehr kurzen Zeiten (einige Millisekunden) auf Temperaturen im Mikro-Kelvin-Bereich und darunter gekühlt werden. Technische Anwendung finden die Ergebnisse der Tieftemperaturphysik bei der Verflüssigung und Lagerung von Gasen. Verflüssigte Gase dienen u. a. auch als Kühlmittel für supraleitende Magnete, die z. B. in Teilchenbeschleunigern, Kernfusionsanlagen und in der Medizintechnik (bei der Kernspintomografie) die Erzeugung extrem starker Magnetfelder ermöglichen. In der Entwicklung befinden sich tiefgekühlte, supraleitende Kabel zur Energieübertragung.

Biokunststoffe

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Unter dem Begriff Biokunststoffe werden kunststoffanaloge Werkstoffe zusammengefasst, die vollständig oder zu überwiegenden Anteilen aus Biopolymeren erzeugt und unter Anwendung der für Kunststoffe üblichen Verfahren modifiziert werden.
Zur Herstellung von Biokunststoffen werden vorwiegend agrarische Rohstoffe wie Pflanzenöl, Stärke, Zucker oder Cellulose als Ausgangsstoffe verwendet. Reststoffe aus der Lebensmittelverarbeitung, beispielsweise Tomaten- und Kartoffelschalen, Rübenmelasse oder Krebs- und Krabbenschalen, können ebenfalls als Rohstoffe dienen. Die meisten Biokunststoffe können biologisch abgebaut werden (biologisch abbaubare Werkstoffe), d. h., Mikroorganismen wandeln sie in Kohlendioxid und Wasser um.

Stärkewerkstoffe, auch Stärkeblends genannt, basieren auf nativer Pflanzenstärke. Mit speziellen Verfahren kann man ihnen thermoplastische Eigenschaften verleihen. Polyester wie Polymilchsäure (PLA) oder Polyhydroxyalkanoate (PHA) werden mit biotechnologischen Verfahren hergestellt. Zur Produktion von PLA wird fermentativ erzeugte Milchsäure anwendungsspezifisch aus dem Rohstoff selektiert und anschließend polymerisiert. Cellulosewerkstoffe werden aus schnellwachsenden Baumarten, z. B. Eukalyptus, gewonnen. Speziell aufgereinigte und behandelte Biokunststoffe werden auch als Biomaterialien in der Medizintechnik eingesetzt.

Biokunststoffe können wie konventionelle, erdölbasierte Kunststoffe zu einer Vielzahl von Anwendungen verarbeitet werden. Sie gelten als wichtige Innovation der Chemie- und Kunststoffindustrie (Bioraffinerie). Der weltweite Absatz an Biokunststoffen für die verschiedensten Anwendungen wird 2003 auf 50 000‒60 000 Tonnen geschätzt. Bisher kommen Biokunststoffe in überwiegend kurzlebigen Anwendungen zum Einsatz, z. B. als kompostierbare Abfallbeutel, Transportverpackungen, Mulchfolien oder Tragetaschen. Neben der biologischen Abbaubarkeit und der regenerativen Rohstoffbasis besitzen Biokunststoffe auch technische Eigenschaften, welche sie von konventionellen Kunststoffen unterscheiden, z. B. in ihrer Durchlässigkeit für Gase. Mittel- und langfristig geht man davon aus, dass sie einen nennenswerten Teil des Marktes für Kunststoffprodukte besetzen können.

Mikrowellentechnik

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Die Mikrowellentechnik ist eine Höchstfrequenztechnik, ein Gebiet, das sich mit der Erzeugung, Verstärkung, Weiterleitung und Anwendung von Mikrowellen befasst. In der Mikrowellentechnik ist die sonst in der Elektrotechnik angewandte Technik miniaturisierter Schaltkreise im Allgemeinen nicht mehr anwendbar, da die Abmessungen der Bauelemente in der Größenordnung der Wellenlänge und darüber liegen. Es treten Ausbreitungs- (z. B. auf Leitungen) und Abstrahlungseffekte auf. In Halbleiterbauelementen und Elektronenröhren muss die Laufzeit der Elektronen berücksichtigt werden, da sie im Größenordnungsbereich der Periodendauer der Mikrowellen liegt.

Zur Erzeugung von Mikrowellen dienen Mikrowellenhalbleiterbauelemente (z. B. Mikrowellentransistoren, Tunneldioden, PIN-, IMPATT-, Schottky-, Gunn-Dioden) und ‒ v. a. für größere Leistungen ‒ Mikrowellenröhren (Laufzeitröhren, z. B. Klystron, Magnetron). Für Kleinsignalanwendungen und Steuerzwecke sind die Röhren jedoch durch Halbleiterbauelemente und spezielle integrierte Schaltungen verdrängt. Mikrowellenoszillatoren lassen sich mit Mikrowellentransistoren, IMPATT- oder Gunn-Dioden aufbauen. Anstelle der bei niedrigeren Frequenzen verwendeten, aus Spule und Kondensator aufgebauten Schwingkreise werden hier Resonatoren eingesetzt, die z. B. als Mikrostreifenleitung, Hohlraumresonator oder Topfkreis ausgeführt sein können. Als Mikrowellenverstärker eignen sich z. B. Maser und parametrische Verstärker. Die leitungsgebundene Übertragung von Mikrowellen erfolgt bis circa 1 GHz auf Koaxialleitungen, darüber im Allgemeinen mittels Hohlleiter.

Wegen ihrer guten Bündelungsfähigkeit und der quasioptischen Ausbreitung nutzt man Mikrowellen z. B. als Nachrichtenträger für terrestrische und Satelliten-Richtfunkverbindungen, für Radarverfahren zur Ortung, Entfernungs- und Geschwindigkeitsmessung, zur Funkpeilung für die Navigation in Schiff-, Luft- und Raumfahrt sowie für Instrumentenlandeverfahren (Landeführungssysteme) und das GPS. Weitere Anwendungen sind Radioastronomie, Mikrowellenspektroskopie und NMR-Spektroskopie sowie der Einsatz für industrielle Erwärmungs- und Trocknungsprozesse und Mikrowellenherde.

Stahlteile galvanisch schützen

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Das Prinzip der Einwegbatterie:

Stahl ist ein hervorragender Werkstoff: Er ist billig, mechanisch sehr resistent, trotzdem leicht industriell zu verarbeiten. Wenn da nicht sein Erz-feind wäre, der hochwertige Stahlbauteile binnen kürzester Zeit zurück… in (zumindest aus mechanischer Sicht) wertloses Erz verwandelt. Ich spreche natürlich von der „braunen Pest“, allgemein bekannt als… der Rost. Die Non Plus Ultra Rostschutzmethode ist eine „Opfergabe an den Rotbraunen Teufel“. Was sich jetzt betont okkult und mystisch anhört, ist jedoch bloß elementare Oxydo – Reduktions Chemie.

Die elektrische Batterie:

Wie sie vielleicht schon wissen, gibt es für Metalle eine Klassifizierung, die diese in „edle“ und „unedle“ Metalle kategorisiert. Diese Klassifizierung trägt den Namen „Spannungsreihe„.

Warum „Spannungs-„Reihe?

Weil zwischen 2 verschiedenen Metallen, die in eine elektrolytische Lösung getaucht sind, eine elektrische Spannung anliegt. Und zwar ist diese Spannung umso höher, je edler das eine Metallstück im Gegensatz zu dem anderen ist. Verbindet man jetzt diese beiden Metallstücke durch einen elektrischen Leiter (z.B. mit einem konventionellen Kupferdraht), fließt durch diesen ein elektrischer Strom. Das ist das fundamentale Prinzip der Einwegbatterie, wie es der berühmte italienische Physiker Alessandro Giuseppe Volta entdeckte als er im Jahre 1800 die allererste Batterie erfand.

Was während dieses Phänomens ebenfalls passiert, ist dass das unedlere der beiden Metallstücke nach und nach verbraucht wird. Es findet, im Ausgleich zu dem Elektronenstrom durch den elektrischen Leiter, ein Ionen Austausch statt, und zwar gehen „unedle“ Metall-Ionen in die elektrolytische Lösung über, bis von diesem Metallstück, übrigens im Fachjargon eine „Elektrode“ genannt, nichts mehr übrig ist.

Schön, aber was hat das mit Rostschutz zu tun?

Vielleicht haben sie es schon erraten: „Verbinden wir doch einfach den Stahl eines Werkstücks mit einem unedleren Metall dass dann als „Opfer-Elektrode“ den Eisenstahl solange schützt bis es aufgebraucht ist.“
Ein schneller Blick in die Spannungsreihe und die Schmelztemperaturen sagt uns: Aha, Zink wäre doch wunderbar geeignet. Sein Schmelzpunkt liegt deutlich unter dem des Stahls, also wird das Bauteil im Prinzip nicht beschädigt wenn man das Zink aufträgt.

Soweit zum Prinzip. Was sind jetzt konkret die Verzinkungs-Techniken die die Industrie verwendet? Das erfahren sie in einem anderen Artikel, denn das würde hier den Rahmen zu sehr sprengen.