Compton-Effekt
Betrachtet man die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie, so sind - sieht man einmal von der "elastischen" Rayleigh-
Streuung ab - u.a. für die Schulphysik drei Effekte von Bedeutung: Die Lichtanregung (Fluoreszenz), der Photoeffekt und der
Compton Effekt - ggf. noch die Paarbildung.
Soll der Compton-Effekt experimentell nachgewiesen werden, so ist es natürlich von Vorteil, wenn die anderen
Wechselwirkungen möglichst gering sind.
Bei der Streuung von Lichtquanten der Energie um 60 keV an Plexiglas (kleine Ordnungszahl Z), ist nahezu ausschließlich
der Compton-Effekt von Bedeutung.
Bei der Streuung von Photonen, deren Quantenenergie vergleichbar mit der Ruheenergie der Elektronen ist, werden (im
Gegensatz zum Photoeffekt) die Photonen nicht "vernichtet", sondern existieren weiterhin mit verminderter Energie (hf’). Den
Differenzbetrag zur ursprünglichen Energie (hf) übernimmt das Elektron.
Betrachtet man die Wellenlänge der Streustrahlung so ist diese nach Compton abhängig vom Streuwinkel:
bzw. für die Energie des gestreuten Quants:
Die vektorielle Darstellung der Impulsverhältnisse liefert das bekannte Diagramm:
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/5c/Compton_scattering-de.svg/300px-Compton_scattering-de.svg.png
Der quantitative Nachweis der Wellenlängen-(Energie)-Änderung gilt als experimentell problematisch (Siehe Göhler [1]). Die
hier verwendete Methode geht u.a. auf einen Vorschlag von Hilscher [2] zurück. Natürlich ist es möglich, den Compton-Effekt
gewissermaßen als "Abfallprodukt" der Photonenwechselwirkung im NaJ(Tl)-Zählerkristall zu betrachten (siehe auch
Gamma-
Spektroskopie
); allerdings erweist sich diese Methode als didaktisch nicht unproblematisch (siehe Hilscher [2]).
Eine direkter Nachweis der Wellenlängenänderung gelang Arthur Holly Compton (1922), indem er als Primärstrahlung die
K-Alpha Strahlung von Molybdän aus einer Röntgenanordnung verwendete. Die diskrete Energie dieser Strahlung beträgt
etwa 17,5 keV (entspricht einer Wellenlänge von 0,0709 nm). Im Originalversuch von Compton ist daher bei Streuung um 90°
lediglich eine relative Energieänderung von etwa 3,4% zu erwarten. Da die Energie (und somit die Wellenlänge) der
Streustrahlung nicht von der Energie der einfallenden Strahlung, sondern nur vom Streuwinkel abhängt, ist eine geringere
Wellenänge bzw. eine höhere Energie der einfallenden Quanten von Vorteil.
Im der nachfolgend beschriebenen Experiment dient als monoenergetische Photonenquelle das Präparat Am-241, welches
vorwiegend als intensiver Alpha-Strahler im Unterricht eingesetzt wird. Nach dem Alpha-Zerfall entsteht das radioaktive
Zerfallsprodukt Np-237, welches eine genügend scharfe Gamma-Linie bei 59,5 keV aufweist. Hierbei ist eine relative
Energieänderung von ca. 10,4% bei einer Streuung um 90° zu erwarten, welche daher deutlich besser zu beobachten ist als
beim Originalexperiment.
Als Streukörper kann ein zylindrischer Plexiglasblock, wie er in jeder Sammlung als Objekt zur Lichtbrechung vorhanden ist,
verwendet werden. Ein entspechend geformter Holzblock ist ebenfalls denkbar. Selbst an einem Stapel Bierfilze konnte
Compton-Streuung gezeigt werden.
Gewönlich wird der Am-241 Strahler in Form eines zylindrischen Stiftes mit 4-mm Stecker vorliegen. Als wirksame
Bleiabschirmung kann ein 18mm-Kupferrohr (Installationsmaterial für Wasserleitungen) der Länge 50 mm verwendet werden,
das mit verflüssigtem Blei ausgegossen wird. Eine zentrische Bohrung vom Durchmesser des Präparate-Steckerstiftes
vervollständigt die Abschirmung (siehe auch nachfolgende Skize).
.
Die Bündelung des Gamma-Strahls erfolgt durch die Bohrung in der Bleiabschirmung. Es ist einsichtig, dass durch einen
ausgedehnten Streukörper (zylinderformiger Plexiglasblock) keine exakte Winkeleinstellung möglich ist. Eine beabsichtigte
90° Streuung - wie in der folgenden Skizze abgebildet - registriert auch (wenn auch wenige) Streuereignisse im Bereich von
45° bis etwa 135°.
Die Mehrzahl aller Streuprozesse geschieht allerdings unter dem eingestellten 90°-Winkel. Ist die Energieverteilung
(Peakbreite) beim ungestreuten Strahl noch gering, so ist bein gestreuten Strahl eine deutliche Verbreiterung zu erwarten. Der
Schwerpunkt des Streupeaks sollte dessen ungeachtet die beabsichtigten 90°-Streuereignisse wiederspiegeln, eine Aussage,
die durch die relativ geringe Abweichung von den theoretisch ermittelten Werten bestätigt wird.
Energieabhängige Darstellung des Compton-Effektes mittels Vielkanalanalyse (VKA):
Die schwarz dargestellte Kurve zeigt den monoenergetischen Gamma-Peak von Ám-241 mit W = 59,5 keV. Deutlich sieht
man, dass die nach Compton gestreuter Strahlung - abhängig vom Streuwinkel - zum niederenergetischen Bereich (größere
Wellenlänge) verschoben ist.
Methode der Energieeichung mittels Eichgerade (Strahlensatz): Unterer Eichwert: K-Strahlung von Ag 22,6 keV (gemittelte
Energie aus K-Alpha und K-Beta, siehe auch: Moseley-Gesetz).
Oberer Eichwert: 59,5 keV (Gamma-Energie von Am-241). Man sieht dass der Energienullpunkt geringfügig korrigiert werden
muss.
Literatur:
[1] H. Göhler "- und -Szintillations-Spektrometrie" (LH 559971)
[2] H. Hilscher "Quantitative Demonstration der Compton-Streuung in Physikunterricht (PdN 36)
Sehr zu empfehlen ist weiter
Wilfried Kuhn "Handbuch der experimentellen Physik" Band 8
Norbert Großberger, 2015
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