Elektronenstrahl
Physik
Definition
Als Elektronenstrahl bezeichnet man einen räumlich eng begrenzten Strom von Elektronen im Sinne von Teichen, die sich gemeinsam in dieselbe Richtung bewegen. Das ist hier kurz vorgestellt.
Die Erzeugung von Elektronenstrahlen
Um einen Elektronstrahl künstlich zu erzeugen, benötigt man zuerst freie Elektronen. Frei nennt man Elektronen, die nicht in Atomen fest gebunden sind, sondern sich außerhalb von Atomen ungehindert im Raum bewegen können. Solche freien Elektronen treten zum Beispiel aus radioaktiven Betastrahlern[1], aus Sprühelektroden[2] oder aus dem heißen Metall einer Glühkathode[3] aus. Um Elektronen aus einem Metall herauszulösen muss man die sogenannte Austrittsarbeit leisten[4]. Auch beim photoelektrischen Effekt entstehen freie Elektronen, diese werden aber üblicherweise nicht zur Erzeugung von Elektronenstrahlen genutzt[5].Bringt man in die Nähe der Metalloberfläche eine Anode an (immer positiv geladen), so werden die negativen Elektronen weg von der Glühkathode und hin zur Anode beschleunigt. Dadurch entsteht ein Strahl. Um den Strahl enger zu bündeln, kann man ihn noch durch einen sogenannten Wehneltzylinder leiten. Eine vollständige technische Anordnung zur Erzeugung von Elektronenstrahlen nennt ist zum Beispiel die Elektronenkanone ↗
Strahlen fokussieren
Ein Strahl von Elektronen hat die Neigung, auseinanderzulaufen. Zwar gilt nach dem ersten Newtonschen Axiom, dass ein Körper sich so lange geradlinig bewegt, wie keine resultierenden äußeren Kräfte auf ihn einwirken[6]. Aber auf jedes einzelne Elektron wirkt tatsächlich eine sehr starke resultierende äußere Kraft. Diese stammt von den elektrischen Feldern der umgebenden Elektronen. Im Endeffekt stoßen sich die Elektronen gegenseitig sehr stark ab, wodurch der Strahl aufgefächert wird. Einen Strahl zu fokussieren heißt, dass man dieser Auffächerung entgegenwirkt. Das Ziel ist es, ihn über eine ausreichend lange Strecke oder eine möglichst lange Zeit eng begrenzt zu halten. Das klassische Gerät für Laborversuche und manche technische Geräte ist der sogenannte Wehneltzylinder ↗
Die Elektronenstrahlröhre
Als Elektronenstrahlröhre bezeichnet man meist eine Vorrichtung, bei der ein Elektronenstrahl sowohl fokussiert wird sowie durch eine Verbindung von elektrischen und magnetischen Feldern in seiner Richtung verändert werden kann. Zudem lässt man den Elektronenstrahl am Ende oft auf eine Fläche treffen, wo die Elektronen einen Leuchterscheinung erzeugen[7]. Siehe auch Elektronenstrahlröhre ↗
Das Fadenstrahlrohr
Bei einem Fadenstrahlrohr wird ein Elektronenstrahl in ein Glasgefäß hineingeschossen. Ein Magnetfeld im Glasgefäß bewirkt, dass der ursprünglich gerade Stahl zu einem Kreis hin umgebogen wird. Ein spezielles Gas im Inneren des Glasgefäßes macht den Kreis als Leuchterscheinung sichtbar. Siehe auch Fadenstrahlrohr ↗
Elektronenstrahlen im Sinn der Mathematik
Was Physiker einen Elektronenstrahl nennen ist im Sinn der Geometrie meist kein Strahl sondern eher eine Strecke[8]: in der Geometrie, ist ein Strahl eine gerade Linie mit einem Anfang aber ohne Ende[7]. Das passt insofern auf Elektronenstrahlen, dass sie einen Anfang in der Elektronenquelle haben und zumindest theoretisch unendlich weit auf einer geraden Linie sich fortbewegen könnten. Zum einen aber stoßen sie sich gegenseitig durch die sogenannte Coulombkraft ab sodass sich der Strahl immer weiter auffächert. Zum anderen wird kein wirklicher Strahl unendlich weit bis in alle Ewigkeit sich ausdehnen können, sondern früher oder später auf irgendeinen Himmelskörper treffen. Siehe auch Strahl [Geometrie] ↗
Fußnoten
- [1] Als Betastrahlung bezeichnet man Elektronen, die aufgrund radioaktiver Vorgänge in Atomerkernen entstanden sind. Sie haben anders als die Elektronen aus Kathoden bereits beim Austritt aus dem Atom eine sehr hohe Geschwindigkeit. Siehe auch Betastrahlung ↗
- [2] Sprühelektroden werden oft im Zusammenhang mit der Elektrostatik behandelt. An dem spitzen Ende eines elektrisch negativ geladenen Metalls treten oft von sich aus Elektronen aus. Dazu ist keine Erhitzung des Metalls nötig, es genügen hohe elektrische Feldstärken. Siehe auch Sprühelektrode ↗
- [3] Die aus der Glühkathode austretenden Elektronen befinden sich zunächst noch in der Nähe ihres Herkunftsortes, der heißen Metalloberfläche. Sie sind noch nicht zu einem Strahl vereinigt und sie bewegen sich auch noch nicht in eine gemeinsame Richtung. Siehe auch Glühkathode ↗
- [4] Die Arbeit, gemessen in Newtonmetern (Nm), die nötig ist, um Elektronen aus einem Metall herauszulösen nennt man Austrittsarbeit ↗
- [5] Beim photoelektrischen Effekt treffen Photonen, das heißt elektromagnetische Strahlungsteilchen, auf eine Metalloberfläche. Die Photonen leisten durch ihre Energie die Austrittsarbeit. Letztendlich treten dadurch Elektronen aus dem Metall aus. Siehe auch photoelektrischer Effekt ↗
- [6] Das erste Newtonsche Axiom besagt, dass ein Körper so lange seinen Bewegungszustand nach Geschwindigkeit und Richtung beibehält (im Sinne eines Vektors), wie keine resultierende äußere Kraft auf den Körper einwirkt. Da Elektronen eine nur sehr geringe Masse haben, kann man die Gravitationskraft mehr oder minder vernachlässigen. Nicht zu vernachlässigen ist aber die elektrische Coulombkraft. Elektronen sind alle elektrisch positiv geladen und stoßen sich gegenseitig sehr stark ab. Siehe auch Erstes Newtonsches Axiom ↗
- [7] Zur Definition eines Strahls in der Geometrie: "Halbgerade, in älterem Spachgebrauch auch als Strahl bezeichnet, Teil einer Geraden, der durch einen festen Punkt auf dieser begrenzt wird." In: Guido Walz: Spektrum Lexikon der Mathematik. Band 5: Sed bis Zyl; 2002; ISBN: 3-8274-9437-1. Dort der Artikel zu Strahl. Siehe auch Strahl ↗
- [8] Eine Strecke in der Geometrie ist eine gerade Linie mit Anfang und mit Ende. Die meisten Elektronentrahlen der Wirklichkeit sind in diesem Sinn eher Strecken als Strahlen. Das Wort Elektronenstrecke ist jedoch völlig ungebräuchlich. Siehe auch Strecke ↗