Ph 12

Grundwissen

Prinzip des Streuexperiments

Um über ein Atom Näheres zu erfahren, haben wir im Wesentlichen zwei Grundtypen von Experimenten kennen gelernt.

Das "Anregungsexperiment": Dem Atom wird Energie zugeführt und man beobachtet die "Äußerungen" des Atoms.
Ein Beispiel für diesen Typ ist das Experiment mit der Balmerröhre. Den Wasserstoffatomen wird über eine elektrische Entladung Energie zugeführt und man beobachtet die sich als Folge der Anregung ergebenden Spektrallinien. Aus deren Wellenlängen kann man Rückschlüsse auf die Energiestufen im Atom ziehen.

Das "Streuexperiment": Das Atom wird mit Teilchen bombardiert und man beobachtet die Verteilung der gestreuten Teilchen.
Beispiele für diesen Typ sind die Versuche von Lenard (Geschosse: Elektronen) oder auch die von Rutherford (Geschosse: α-Teilchen). Aus der Streuverteilung und mit einer sinnvollen Modellvorstellung können dann Aussagen über die Struktur des Atoms gemacht werden.

In der Kernphysik spielen die Streuexperimente eine ganz wesentliche Rolle, daher soll auf diesen Typ noch etwas näher eingegangen werden.

Grundaufbau eines Streuexperiments

Ein kollimierter Teilchenstrahl wird an einem Target (engl.: Ziel) gestreut.
Aus der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen schließt man auf die Struktur des Targets und auf die Art der Kräfte zwischen den Geschossen und den Bausteinen des Targets.

Einfaches mechanisches Analogiemodell (nach Hilscher):
Stellen Sie sich einen Kasten vor, von dessen Inhalt die Masse bekannt sei. Sie sollen feststellen, wie sich die Masse über das Kasteninnere verteilt, ohne in ihn hineinschauen zu dürfen. Der Kasten könnte z.B. gleichmäßig mit einem Stoff verhältnismäßig kleiner Dichte - etwa Holz - gefüllt sein, oder es könnten sich nur an einigen Stellen kleine Körper großer Dichte, z.B. Bleikugeln, befinden. Wie können Sie herausfinden, welcher dieser beiden Fälle vorliegt?
Eine Möglichkeit ist es, kleine Kugeln mit hinreichender Geschwindigkeit in den Kasten zu schießen und zu beobachten, wo und wie sie wieder aus ihm herauskommen. Treten alle Kugeln in Schussrichtung, jedoch mit verminderter Geschwindigkeit aus dem Kasten aus, dann kann man schließen, dass der Kasten gleichmäßig mit Materie geringer Dichte gefüllt ist. Findet man dagegen, dass einige Kugeln stark abgelenkt werden, dann kann man annehmen, dass sie mit kleinen, starren massiven Körpern zusammengestoßen sein müssen.

Wirkungsquerschnitt σ :
Der Wirkungsquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern mit einem Geschoss in Wechselwirkung tritt. Üblicherweise gibt man den Wirkungsquerschnitt in der Einheit 1barn =10^-28m² an. s darf jedoch nicht als eine wirkliche Fläche, sondern nur als eine dem Targetteilchen für eine bestimmte Wechselwirkung zugeordnete hypothetische Fläche verstanden werden.

Zur Beschreibung der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen verwendet man den differentiellen Wirkungsquerschnitt σ(). Er beschreibt die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein Geschoß bei der Wechselwirkung mit einem Kern unter einem bestimmten Winkel gestreut wird.