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Thomson-Streuung


Physik


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.

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.

Keine Impulsübertragung


Thomson-Streuung ist eine rückstoßfreie Streuung, das heißt, es findet kein Impulsübertrag vom Photon auf das Elektron statt. Sie tritt nur auf, solange die Energie der einfallenden Photonen klein genug ist, also die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung viel größer ist als ein Atomradius (z. B. weiche Röntgenstrahlung). Bei kürzeren Wellenlängen, also höheren Energien, muss der Rückstoß des Elektrons berücksichtigt 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 ↗