Basiswissen

Richtungsänderung von Photonen an quasifreien Elektronen: als Photonen bezeichnet man die gedachten Teilchen elektromagnetischer Strahlung. Unter freien Elektronen versteht man Elektronen, die nicht in den Schalen eines Atoms gebunden sind (oder nur sehr schwach). Freie Elektronen kommen zum Beispiel in Plasma vor. Thomson-Streuung kommt vor allem bei Röntgenstrahlung vor.^[2]

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Ein Photon (Lichtteilchen) wird an einem Elektron gestreut und ändert dadurch seine Richtung aber nicht die Wellenlänge. © Svjo ☛

Grundeffekt der Thomson-Streuung

Wenn ein Photon nahe genug an einem freien Elektron vorbeifliegt, dann ändert es seine Flugrichtung. Gleichzeitig wird seine Wellenlänge größer. Die mathematische Handhabung beruht auf dem klassischen elastischen Stoß.

Effekt auf das beteiligte Elektron

Geladene Teilchen werden durch das Feld einer elektromagnetischen Welle zu kohärenten harmonischen Schwingungen in der Ebene des elektrischen Feldes angeregt. Da diese Oszillation eine beschleunigte Bewegung ist, strahlen die Teilchen gleichzeitig Energie in Form einer elektromagnetischen Welle gleicher Frequenz ab (Dipolstrahlung). Man sagt, die Welle wird gestreut.

Impulsübertragung

Bei kleinen Wellenlängen, also hohen Energien der Quanten, etwa für Röntgenstrahlung, wird ein Impuls vom Photon auf das Elektron übertragen. Dabei verliert das Photon Energie, was sich in einer größeren Wellenlänge äußert. Bei größeren Wellenlängen hingegegen können der übertragene Impuls und die Änderung der Wellenlänge, das heißt der Photonenenergie, vernachlässigt werden.

Thomson-Streuung auch an Metallen

Dieses Modell gilt auch für freie Elektronen im Metall, deren Resonanzfrequenz aufgrund fehlender Rückstellkräfte gegen Null geht. Streuung an gebundenen Elektronen oder ganzen Atomen bezeichnet man als Rayleigh-Streuung ↗

Fußnoten

[1] Thomson-Streuung ist die "elastische Streuung von Photonen an quasifreien Elektronen. Voraussetzung hierfür ist, daß die Photonen auf Grund ihrer hohen Frequenz nicht resonant gestreut werden", "Bindungseigenschaften der Elektronen" können also "vernachlässigt" werden. In: der Artikel "Thomson-Streuung". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000.

[2] "Thomson-Streuung tritt darum vor allem bei Röntgenstrahlung auf." In: der Artikel "Thomson-Streuung". Spektrum Lexikon der Physik. 6 Bände. Greulich, Walter (Hrsg.) Spektrum Akademischer Verlag. Heidelberg, Berlin. 1998-2000.