Compton Effekt und Welle Teilchen Dualismus

In diesem Video werden der sogenannte Compton-Effekt und der Welle-Teilchen-Dualismus beleuchtet. Zur Veranschaulichung betrachten wir folgendes Experiment: Wenn Strom durch einen Glühdraht fließt, erhalten einige Elektronen genug Energie, um den Draht zu verlassen, was als glühelektrischer Effekt bezeichnet wird. Diese Elektronen werden zur positiv geladenen Anode hin beschleunigt. Beim Auftreffen auf die Anode entstehen entweder Bremsstrahlung oder charakteristische Strahlung, wodurch Röntgenphotonen mit diskreten, aber auch variierenden Wellenlängen emittiert werden. Einige dieser Photonen passieren eine Blende und bilden einen Röntgenstrahl.
Um den Compton-Effekt besser zu verdeutlichen, wird ein Filter vor die Blende gesetzt, der nur Photonen einer bestimmten Wellenlänge durchlässt. Die Photonen, die den Filter passieren, besitzen daher alle dieselbe Wellenlänge. Hinter dem Filter befindet sich ein Stück Grafit, das als Streukörper dient. Eine weitere Blende, ein drehbarer Einkristall und ein Detektor zur Messung der Strahlungsintensität sind ebenfalls Teil des Versuchsaufbaus.
Zunächst betrachten wir die Röntgenstrahlung, die ungestreut durch die Blende auf den Einkristall trifft, wobei der Streuwinkel 0° beträgt. Die ungestreuten Röntgenphotonen treffen auf das Ionengitter des Einkristalls. Das obere Photon hat einen kürzeren Weg zu seinem Ion und trifft daher zuerst auf, während das untere Photon noch etwas entfernt ist. Der Gangunterschied, der rot markiert ist, entscheidet über die Art der Interferenz der beiden Photonen nach der Streuung. Ein Blick auf die Formel zeigt, dass der zusätzliche Weg 2 x genau ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge Lambda der Photonen sein muss, damit es zur konstruktiven Interferenz kommt. Bei konstruktiver Interferenz misst der Detektor ein Maximum, bei destruktiver Interferenz ein Minimum der Intensität. Diese Interferenzerscheinungen lassen sich nur durch den Wellencharakter des Lichts erklären.
Durch die Drehkristallmethode wird das ungestreute Licht untersucht, und bei bestimmten Drehwinkeln kommt es zu konstruktiver Interferenz. Das resultierende Diagramm zeigt aus anschaulichen Gründen nur das Maximum erster Ordnung. Im weiteren Verlauf des Experiments werden die Blenden hinter dem Streukörper, der Einkristall und der Detektor verschoben, sodass nun Photonen betrachtet werden, die am Streukörper in einem Winkel von 30° gestreut werden.
Wenn ein Röntgenphoton auf ein Atom im Streukörper trifft, können zwei verschiedene Szenarien eintreten: Das Photon kann auf ein Elektron der inneren Schale treffen, das stark an den Kern gebunden ist. In diesem Fall kann das Photon das Elektron nicht aus dem Atom herausschlagen und verliert keine Energie, sodass seine Wellenlänge unverändert bleibt. Vergleichbar wäre das mit einer Billardkugel, die gegen die Bande eines Billardtisches rollt, dort abprallt und mit gleicher Geschwindigkeit in eine andere Richtung weiterrollt. Daher besitzt das Röntgenphoton nach dem Zusammenprall weiterhin dieselbe Energie und somit auch dieselbe Wellenlänge. Wird dieses Licht mit der Drehkristallmethode untersucht, ergibt sich dasselbe Diagramm wie bei einem Streuwinkel von 0°, da die Photonen in beiden Fällen dieselbe Wellenlänge besitzen.
Allerdings kann das einfallendes Röntgenphoton auch auf ein Elektron der äußersten Schale treffen, das nur schwach gebunden ist. In diesem Fall überträgt das Photon Energie auf das Elektron und verliert dadurch Energie, was zu einer Vergrößerung der Wellenlänge führt. Diese Form der Streuung kann nur durch den Teilchencharakter des Lichts erklärt werden. Das bedeutet, dass bei einem Streuwinkel von 30° Photonen mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen auf den Einkristall treffen und mittels der Drehkristallmethode untersucht werden. Das resultierende Diagramm zeigt eine geringere Intensität beim ursprünglichen Maximum erster Ordnung. Das ist logisch, da nur ein bestimmter Anteil des einfallendes Röntgenlichts auf Elektronen der inneren Schale treffen und auch nach dem Zusammenstoß noch dieselbe Wellenlänge besitzen. Die Photonen, die mit einem Elektron auf der äußeren Schale zusammenstoßen, besitzen eine geringere Wellenlänge Lambda. Laut der Bragg-Beding verschiebt sich daher auch das Maximum erster Ordnung zu einem kleineren Winkel Teta bzw. kleinerem Wert für Sinus Teta, da wir nur Winkel zwischen 0° und 90° betrachten.
Allgemein hat Compton in seinem Experiment herausgefunden, dass je größer der Winkel ist, mit dem die Röntgenphotonen am Streukörper gestreut werden, umso mehr Energie übertragen sie auf die Elektronen und umso energieärmer sind die Photonen nach dem Zusammenprall und umso größer ist die Wellenlängenzunahme.