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Grundwissen

Streuexperiment

Das Wichtigste auf einen Blick

  • Mit Streuexperimenten kann man den Aufbau und die Struktur von kleinsten Teilchen untersuchen.
  • Das zu untersuchende Objekt wir mit schnellen Teilchen beschossen, die am Objekt gestreut werden.
  • Aus der räumlichen Verteilung der gestreuten Teilchen werden Rückschlüsse auf die Struktur des Objektes gezogen.
Aufgaben Aufgaben

Idee von Streuexperimenten 

Prinzipieller Versuchsaufbau bei Streuversuchen
Abb. 1 Prinzipieller Versuchsaufbau bei Streuversuchen

Eine Herausforderung für die Atom- und Kernphysik ist experimentell gesicherte Aussagen über die Struktur von Mikroobjekten wie Atomen, Atomkernen, Protonen und Neutronen zu gewinnen. Die Teilchen in der Atom- und Kernphysik sind so klein, dass man mit klassischen optischen Hilfsmitteln keine Informationen gewinnen kann. Daher haben sich seit Beginn des 20. Jh. sogenannte Streuexperimente in der Forschung etabliert. Dabei wird das zu untersuchende Objekt wie in Abb. 1 mit schnellen, energiereichen Teilchen beschossen. Diese Teilchen treffen auf das Objekt und durchdringen das Objekt einfach, werden vom Objekt etwas abgelenkt oder vom Objekt sogar zurückgestreut. Diese Verteilung der gestreuten Teilchen (wie viele Teilchen unter einem Winkel \(\vartheta\) gestreut werden) wird mit speziellen Detektoren beobachtet. Aus dem Wissen, wie die Teilchen von untersuchten Objekt gestreut werden, können dann Rückschlüsse auf den Aufbau des untersuchten Objektes gezogen werden.

Ablauf der Streuexperimente

Abb. 2 Aufbau eines Streuexperiments mit Kollimator und Target

Zunächst wird bei Streuversuchen dafür gesorgt, dass ein relativ geradliniger Teilchenstrahl auf das zu untersuchende Objekt, das sogenannte Target (engl.: Ziel) trifft. Dies kann auf verschiedene Arten und Weisen erreicht werden - z.B. einfach über Blenden, die divergierende Teilchen absorbieren oder mithilfe von elektrischen und magnetischen Feldern, die die Teilchenbahnen beeinflussen. Diesen Prozess nennt man Kollimation.

Der kollimierte Teilchenstrahl trifft anschließen auf das Target, das Objekt, das untersucht werden soll. Am Target wird der kollimierte Teilchenstrahl entsprechend den Eigenschaften und dem inneren Aufbau des Targets gestreut. Aus der Winkelverteilung der gestreuten Teilchen kann man daher auf die Struktur des Targets und auf die Art der Kräfte zwischen den Geschossen und den Bausteinen des Targets schließen.

RUTHERFORDscher Streuversuch mit \(\alpha\)-Teilchen

Streuung von Alphateilchen an einem Goldkern
Abb. 3 Streuung von Alphateilchen an einem Goldkern

Der erste Streuversuch, der die Vorstellungen des Atomaufbaus grundlegend veränderte und bis heute prägt, war der RUTHERFORDsche Streuversuch. Hier wurden Goldatome einer sehr dünnen Goldfolie mit \(\alpha\)-Teilchen, die aus dem Zerfall von radioaktiven Radium stammten, beschossen. Anhand der überraschenden Beobachtung, dass die Goldfolie einige wenige energiereichen \(\alpha\)-Teilchen sogar zurückstreut, entwickelte Rutherford die Kern-Hülle-Struktur des Atoms: Ein Atom hat einen sehr kleinen, positiv geladenen Atomkern, in dem jedoch nahezu die gesamte Masse des Atoms vereint ist. In der sehr großen Atomhülle um den Kern herum sind lediglich die Elektronen, die die Ladung des Kerns nach außen abschirmen.

Streuversuch mit schnellen Elektronen

Streuung von Elektronen an den Quarks eines Protons
Abb. 4 Streuung von Elektronen an den Quarks eines Protons

Nach der Theorie von Gell-Mann sollten ein Proton aus noch kleineren Teilchen, den Quarks bestehen. Diese Theorie konnte experimentell ebenfalls durch Streuversuche bestätigt werden. Um die Strukturen von so kleinen Teilchen wie die eines einzelnen Protons zu untersuchen, waren jedoch große, schwere Alphateilchen ungeeignet. Es wurden hierzu wie in Abb. 4 sehr viel kleinere und leichtere Elektronen genutzt, die mithilfe des Stanford Linearbeschleunigers 1969 auf sehr hohe Geschwindigkeiten gebracht wurden. Mit diesen Elektronen wurde flüssiger Wasserstoff beschossen und die Streuung der Elektronen detektiert.

Mit diesem Experiment konnten J. Friedman, H. Kendall und R. Taylor die Theorie von Gell-Mann bestätigen und den Aufbau von Protonen aus noch kleineren Teilchen, den Quarks nachweisen. Für diesen Nachweis erhielten sie 1990 den Physik-Nobelpreis.

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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