Forscher lösen Rätsel der Compton-Streuung: Neuer Ansatz zum Testen von Theorien in der Quantenmechanik

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Als der amerikanische Physiker Arthur Compton 1922 entdeckte, dass sich Lichtwellen wie Teilchen verhalten und bei einem Aufprallexperiment Elektronen aus Atomen herausschlagen können, war dies ein Meilenstein für die Quantenmechanik.

Fünf Jahre später erhielt Compton für diese Entdeckung den Nobelpreis.

Compton verwendete für sein Experiment sehr kurzwelliges Licht mit hoher Energie, wodurch er die Bindungsenergie des Elektrons an den Atomkern vernachlässigen konnte.

Compton nahm für seine Berechnungen einfach an, dass das Elektron frei im Raum ruhte.In den folgenden 90 Jahren bis zur Gegenwart wurden zahlreiche Experimente und Berechnungen zur Compton-Streuung durchgeführt, die immer wieder Asymmetrien aufzeigten und Rätsel aufwarfen.

So wurde beispielsweise beobachtet, dass bei bestimmten Experimenten Energie verloren zu gehen schien, wenn die Bewegungsenergie der Elektronen und Lichtteilchen (Photonen) nach der Kollision mit der Energie der Photonen vor der Kollision verglichen wurde.

Da Energie nicht einfach verschwinden kann, wurde angenommen, dass in diesen Fällen, entgegen der vereinfachten Annahme von Compton, der Einfluss des Kerns auf die Photon-Elektronen-Kollision nicht vernachlässigt werden kann.Zum ersten Mal in einem Impakt-Experiment mit Photonen hat nun ein Team von Physikern um Professor Reinhard Dörner und Doktorand Max Kircher an der Goethe-Universität Frankfurt gleichzeitig die ausgestoßenen Elektronen und die Bewegung des Atomkerns beobachtet.

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Dazu bestrahlten sie am Hamburger Beschleuniger DESY Heliumatome mit Röntgenstrahlung aus der Röntgenquelle PETRA III.

Sie detektierten die ausgestoßenen Elektronen und den geladenen Rest des Atoms (Ionen) in einem Reaktionsmikroskop COLTRIMS, einer Apparatur, die Dörner mitentwickelt hat und die in der Lage ist, ultraschnelle reaktive Prozesse in Atomen und Molekülen sichtbar zu machen.Die Ergebnisse waren überraschend.

Zunächst stellten die Wissenschaftler fest, dass die Energie der streuenden Photonen natürlich konserviert und teilweise in eine Bewegung des Kerns übertragen wurde (mehr….

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