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Grundwissen

Streuexperiment

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Um über die Struktur eines Mikroobjekts (Atom, Kern, Proton, Neutron) Näheres zu erfahren, hat sich das sogenannte Streuexperiment hervorragend bewährt. Dabei wird das zu untersuchende Objekt mit Teilchen bombardiert und die Verteilung der gestreuten Teilchen beobachtet.

Beispiele

 

  • Der Streuversuch von Rutherford (Geschosse: α-Teilchen) durch den man zu Beginn des vorigen Jahrhunderts zu der noch heute gültigen Kern-Hülle-Struktur des Atoms gelangte.
Streuung von Alpha-Teilchen an einem Gold-Atom
  • Der Streuversuch am Stanford Linearbeschleuniger (1969) bei dem extrem schnelle Elektronen auf flüssigen Wasserstoff geschossen wurden. Aus der Ablenkung der Elektronen konnte die Theorie von Gell-Mann, dass ein Proton aus Quarks besteht, erhärtet werden.
    1990 erhalten J. Friedman, H. Kendall und R. Taylor für diesen Nachweis den Physik-Nobelpreis
Streuung von Elektronen an einem Proton
Aufbau eines Streuexperiments mit Kollimator und Target

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.

Aus der Streuverteilung der Geschosse und mit einer sinnvollen Modellvorstellung können dann Aussagen über die Struktur des zu untersuchenden Objekts gemacht werden.
Darstellung des Streuwinkels

Einfaches mechanisches Analogiemodell (nach Hilscher)

Stelle dir einen Sack vor, von dessen Inhalt die Masse bekannt sei. Du sollst feststellen, wie sich die Masse über das Sackinnere verteilt, ohne in ihn hineinschauen zu dürfen. Der Sack 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 kannst du herausfinden, welcher dieser beiden Fälle vorliegt?
Eine Möglichkeit ist es, kleine Kugeln mit hinreichender Geschwindigkeit in den Sack zu schießen und zu beobachten, wo und wie sie wieder aus ihm herauskommen. Treten alle Kugeln in Schussrichtung, jedoch mit verminderter Geschwindigkeit aus dem Sack aus, dann kann man schließen, dass der Sack 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.

Je energiereicher die Projektile, desto mehr verraten sie über den Aufbau des Objekts: Aus der Ablenkung der Bälle kann man auf die Form des Sacks schließen; die Pfeile lassen die Kugeln in seinem Inneren erkennen; die hochenergetischen Geschosse lassen die Kugeln zerplatzen und offenbaren so deren innere Struktur (aus "Welt der Physik").

 

Streuung in der Mechanik

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