Wechselwirkung der Strahlung mit Materie

( I ) Anregung kohärenter Streuung

Es gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie:

• Anregung kohärenter Streuung:– Physikalische Effekte mit kohärenter Strahlung

• Anregung inkohärenter Streuung beim Photoeffekt

• Compton-Effekt• Paarbildung

Inhalt

Kohärente Strahlung

• Kohärente Strahlung entsteht als erzwungene Schwingung der gesamten Ladungsverteilung, angetrieben vom ankommenden elektromagnetischen Feld

• Sie steht in fester „Phasen“ - Beziehung zur anregenden Strahlung:

• Anregende Amplitude und Amplitude der ausgehenden Kugelwellen sind zeitlich streng korreliert

• Kohärenz ist die Voraussetzung für Beugung und Abbildung

Beispiel für die Entstehung kohärenter Strahlung

Anregende und emittierte Welle sind phasengleich

Beispiel für die Wirkung kohärenter Strahlung bei zwei benachbarten, identischen Streuzentren:

Das Interferenzmuster der emittierten Strahlung enthält Information über das Objekt!

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Von zwei Punkten ausgehende Wellen

Abstand der Punkte klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstand der Punkte klein gegenüber dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstand der Punkte wenig kleiner als der Abstand zwischen zwei Wellebergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstand der Punkte etwa gleich dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstand der Punkte etwa doppelt so groß wie der Abstand zwischen zwei Wellenbergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstände der Punkte noch größer

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Abstände der Punkte etwa das 10-fache des Abstands zwischen den Wellenbergen

Beispiel für die

Wirkung kohärenter Strahlung

Entstehung des Beugungsbilds eines Spalts

0

30

60

90

120

150

180

210

240

270

300

330

B

Eine einfallende ebene Welle trifft das Objekt

Kugelwellen erzeugen ein Interferenzmuster,

Im „Fernfeld“ erscheint es als divergente, ebene Wellen

Die Information über das Objekt steht in Richtung, Intensität und in der Phase der divergenten Wellen

Am Empfänger, z. B. einem Film, ist aber die Phase nicht erkennbar

Objekt Empfänger

Beispiel für die Wirkung kohärenter Strahlung

Beugung und Abbildung im Bereich der Röntgenstrahlung

• Es gibt für Röntgenlicht keine abbildenden Linsen– Die fokussierende Wirkung ist um Zehnerpotenzen

schwächer als für sichtbares Licht

Deshalb misst man• Entweder das Interferenzmuster der Objekte

– Bei periodischen Objekten nennt man es „Beugungsmuster“

• Oder ein Absorptionsmuster bei „Durchleuchtung“ in Medizin und Technik – vergleichbar Schattenrissen im Sichtbaren, die auch

keiner Linse bedürfen

Anwendung kohärenter Röntgenstrahlung: Beugung an Kristallgittern

Für Röntgenlicht gibt es keine Linse: Das Objekt muss durch Fourier Transformation des Beugungsbilds erzeugt werden

Röntgenröhre, Bremsstrahlung

Abbildung: Beugungsbild eines kubischen Kristalls

K2SnCl6 Gitterkonstante 1,0 nm , aufgenommen in Richtung der 4-zähligen Achse in Laue Geometrie, und Schema der Bildentstehung. Der Kristall ist zu groß gezeichnet, er wird in Wirklichkeit vom Strahl umspült.

Bedeutung der „Kohärenz“

• Nur Kohärente Strahlung eignet sich zu Beugung und Abbildung– Die von einem Objekt in unterschiedliche

Richtungen ausgehenden Wellen enthalten – in ihrer Gesamtheit – Information über die Gestalt eines Objekts

Es gibt vier Arten der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Materie, eine ist

• Anregung kohärenter Streuung („klassische Streuung“, „Rayleigh-Streuung“)) – Als Kugelwelle auslaufende Strahlung mit Energie der

anregenden Strahlung– steht in fester „Phasen“ Beziehung zur anregenden

Strahlung– Ursache: Erzwungene Schwingung der gesamten

Ladungsverteilung, angetrieben vom ankommenden elektromagnetischen Feld

– Kohärente Strahlung eignet sich zu Beugung und Abbildung, denn:

• Die von einem Objekt in unterschiedliche Richtungen ausgehenden Wellen enthalten – in ihrer Gesamtheit – Information über die Gestalt des Objekts

Zusammenfassung

finis