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Compton-Streuung

Physik

Basiswissen


Als Compton-Streuung bezeichnet man eine (überraschende) Richtungsänderung von Photonen durch Elektronen: wenn ein Photon nahe genug an einem Elektron vorbeifliegt, dann kann man oft beobachten, dass es seine Flugrichtung ändert. Dabei wird seine Wellenlänge größer. Diesen Umstand bezeichnet man als Compton-Streuung oder auch als Compton-Effekt[3] oder Comptoneffekt[4].

Fakten zur Compton-Streuung



Was ist das Überraschende an der Compton-Streuung?


Das Experiment von Arthur Compton bot drei Überraschungen, die aber logisch zusammenhängen: a) bei der Streuung ändert sich die Wellenlänge der gestreuten Röntgentrahlung, b) das Photon hat zwar keine Ruhemasse, aber es überträgt dennoch einen Impuls auf das Elektron, an dem es getreut wird. Und c) dass Wellen, etwa wellenartig gedachte elektromagnetische Strahlung, einen Impuls übertragt ist nicht selbstverständlich.

a) Die Änderung der Wellenlänge


Wenn eine Wasserwelle auf ein Hindernis trifft, etwa einen großen Pfahl im Wasser, so ändert die Welle dort zwar ihre Richtung, sie breitet sich zum Beispiel auch in den "Schattenraum" hinter dem Pfahl aus. Aber dabei behält die Wasserwelle ihre ursprüngliche Wellenlänge und Frequenz bei. Trifft eine elektromagnetische Welle, wie bei Röntgenstrahlung, auf ein Hindernis, etwa ein Elektron, könnte man dasselbe Verhalten erwarten. Dem ist aber nicht so, wie Compton mit seinen Versuchen gezeigt hat. Tatsächlich ändern die Röntgenwellen ihre Wellenlänge bei ihrer Richtungsänderung an einem Hindernis. Das ist zunächst einmal nicht selbstverständlich. Zur vermeintlichen Analogie mit Wellen im Wasser siehe den Artikel zur Beugung von Wasserwellen ↗

b) Impuls ohne Masse


In der Mechanik lautet die Formel für den Impuls p kurz m·v, also Masse mal Geschwindigkeit. Wenn ein Objekt keine Masse hat, die Masse als 0 kg beträgt, dann erhält man auch einen Impuls von 0. Tatsächlich ordnet man einem Röntgenphoton aber keine Ruhemasse zu. Die Ruhemasse beträgt 0 kg. Damit aber wäre auch der Impuls des Röntgen-Strahlungs-Teilchen, des Photons, gleich 0. Compton hat aber beobachtet, dass das Elektron, welches an der Streuung beteiligt ist, eine Impulsänderung erfährt: es nimmt einen Impuls auf. Also muss das Photon einen Impuls abgegeben haben. Das Paradoxon ist, dass etwas masseloses (m=0) trotz der Formel p=m·v einen Impuls haben soll. Das war der zweite überraschende Befunde der Compton-Streuung.

c) Wellen mit Impuls


Das Wort Photon steht für teilchenartig gedachte Pakete elektromagnetischer Strahlung, die gleichzeitig Eigenschaften von Wellen haben. Passend dazu spricht man ja von elektromagnetischen Wellen. Wellenartige Gebilde müssen nicht zwangsläufig einen Impuls haben.[5][6] Das ist näher betrachet im Artikel zum Wellenimpuls ↗

Das Wesentliche in den Worten von Compton selbst


In wissenschaftlichen Veröffentlichungen wird deren Kernaussage oft am Anfang im sogenannten Abstract zusammengefasst. In einem solchen Abstract aus einer Veröffentlichung des Jahres 1923 schreibt Compton sinngemäß übersetzt:

MERKSATZ:

"Vorgestellt wird die Hypothese, dass bei der Streuung eines Röntgen-Quants dieses seine gesamte Energie und seinen gesamten Impuls auf ein Elektron überträgt. Dieses Elektron wiederum streut das Quant in eine bestimmte Richtung. Die Änderung des Impulses des Röntgen-Quants aufgrund einer Änderung seiner Bewegungsrichtung bewirkt einen Rückstoß am streuenden Elektron. Die Energie des gestreuen Quants ist damit geringer als die Energie des ursprünglichen Quants, und zwar um den Betrag der kinetischen Energie des Rückstoßes des streuenden Elektrons."[1]

Der Compton-Effekt ist nicht alleine durch die Wellennatur elektromagnetischer Strahlung erklärbar. Er wird erst fassbar, wenn man sich die Strahlung aus Teilchen, eben den Photonen gebildet, vorstellt. Siehe auch Welle-Teilchen-Dualismus ↗

Formeln zur Compton-Streuung



LEGENDE


Fußnoten