Comptoneffekt – was ist das?

Comptoneffekt – was ist das? Übung

• Gib den Compton-Effekt an.

  Tipps

  Compton hat nachgewiesen, dass Photonen auch Teilchen- oder das Elektron Welleneigenschaften haben müssen.

  Lösung

  Der Compton-Effekt beschreibt den Energieverlust eines Photons, dass an einem Elektron oder einem anderen geladenen Teilchen gestreut wird.

  Dabei trifft das Photon auf ein Teilchen, ändert seine Richtung um einen Winkel $\phi$ und gibt dabei einen Teil seiner Energie an das Teilchen ab.

  Mithilfe der Beobachtungen von Arthur Compton wurde nachgewiesen, dass Photonen auch Teilchen- oder das Elektronen auch Welleneigenschaften haben müssen.

• Gib an, was beim Compton-Effekt passiert.

  Tipps

  Jedes quantenmechanische Objekt besitzt sowohl Teilchen als auch Welleneigenschaften.

  Vergleiche den Compton-Effekt mit dem elastischen Stoß.

  Lösung

  Ein Photon trifft auf ein Elektron.

  Dabei ändert dieses seine Richtung um einen bestimmten Winkel $\phi$ und gibt einen Teil seiner Energie abhängig von $\phi$ an das Elektron ab. Es handelt sich also um eine Form des elastischen Stoßes.

  Damit das bewegte Photon überhaupt mechanische Energie mit einem Elektron austauschen kann, muss dieses kinetische Energie besessen haben.

  Da die kinetische Energie abhängig von der Masse ist ($E_kin = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$), kann die Masse des Photons nicht $0$ sein.

  Damit war klar, dass entweder das Photon Eigenschaften eines Teilchens oder das Elektron Welleneigenschaften haben musste.

  Dieser Ansatz wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

• Vergleiche den Compton-Effekt mit dem elastischen Stoß.

  Tipps

  Bei einem Stoß wird Energie ausgetauscht.

  $E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$ ist für eine Masse $m = 0$ ebenfalls $E_{kin} = 0 $.

  Lösung

  Sowohl beim elastischen Stoß als auch beim Compton-Effekt tritt ein Stoß zwischen zwei Teilchen auf.

  Betrachten wir zunächst einen elastischen Stoß wie in der Abbildung.

  Hier trifft eine bewegt Kugel der Masse $m_1$ auf eine ruhende Kugel der Masse $m_2$. Zum Zeitpunkt des Stoßes wird die kinetische Energie ($E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$) in Abhängigkeit des Stoßwinkels abgegeben. Dadurch wird die Kugel $2$ beschleunigt. Sie gewinnt also an Energie. Die Kugel $1$ muss aus Gründen der Energieerhaltung ihren Energiebetrag verändern (in diesem Fall verringern).

  Ersetzen wir nun die Kugel $1$ mit einem Photon und die Kugel $2$ mit einem Elektron, so tritt derselbe Effekt auf. Das bewegte Photon tauscht Energie mit dem Elektron aus. Da ein Photon Bestandteil einer Lichtwelle ist, der man bis zu dieser Entdeckung keine Masse und damit keine kinetische Energie zuordnete, musste man die Eigenschaften des Lichtes als reine Welle überdenken. Ganz offenbar hat das Licht auch Eigenschaften eines Teilchen (mit einer Masse, wie Kugel $1$).

  Für die Beobachtung dieses Effektes erhielt Arthur Compton den Nobelpreis.

• Analysiere die Bedeutung der Entdeckung des Compton-Effekts.

  Tipps

  Nach Entdeckung des Compton-Effektes musste man neue Erklärungen für die Eigenschaften von Wellen und Teilchen finden.

  Ein Stoß mit einem Teilchen erfordert kinetische Energie.

  Vor Comptons Entdeckung glaubte man, Photonen hätten keine Teilcheneigenschaften,

  Lösung

  Der 1922 entdeckte Compton-Effekt konnte mit der klassischen Wellen- und Teilchenvorstellung nicht erklärt werden.

  Aufgrund der Beobachtungen wurde nachgewiesen, dass entweder das Photon auch Teilchen- oder das Elektron auch Welleneigenschaften haben muss:

  Compton hatte beobachtet, dass ein Photon kinetische Energie beim Stoß mit einem Elektron austauscht. Da für die kinetische Energie $E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$ gilt, muss das Photon eine Masse und damit Eigenschaften eines Teilchens aufweisen.

  Die klassischen Ansätze waren damit widerlegt und es musste eine neue Erklärung für das Verhalten der Photonen entwickelt werden. Bisher hatte man geglaubt, Photonen hätten keine Teilcheneigenschaften.

  Den heutigen Ansatz aus dem Bereich der Quantenmechanik nennt man Welle-Teilchen-Dualismus.

  Nach diesem muss jedes quantenmechanische Objekt sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben .

• Gib an, was der inverse Compton-Effekt ist.

  Tipps

  Invers bedeutet umgekehrt.

  Bei einem elastischen Stoß kann eine Kugel entweder Energie abgeben oder Energie gewinnen.

  Lösung

  Der inverse Compton-Effekt beschreibt das Phänomen, dass ein Photon, das auf ein geladenes Teilchen gestoßen ist, dadurch Energie gewinnen kann.

  Der inverse Compton-Effekt ist die Umkehrung des Compton-Effektes.

  Dabei stößt ein Photon auf ein Elektron, wodurch dieses keine Energie verliert, sondern Energie gewinnt.

  Genauso wie eine Kugel durch einen elastischen Stoß entweder Energie abgeben oder welche gewinnen kann.

• Zeige die klassischen Postulate.

  Tipps

  Heute gilt der Welle-Teilchen-Dualismus.

  Die klassische Physik kennt den Welle-Teilchen-Dualismus nicht.

  Compton erreichte einen Paradigmenwechsel in der Physik.

  Lösung

  In der klassischen Wellen- und Teilchenphysik, also vor der Entdeckung Compton's und des Welle-Teilchen-Dualismus, ordnete man den Wellen und Teilchen sehr verschiedene Eigenschaften zu.

  Die Wellen wurden charakterisiert als masselose Schwingungen, die sich in Zeit und Raum ausbreiten. Dabei transportieren Wellen nach der klassischen Vorstellung zwar Energie, aber keine Materie. Ein Beispiel für eine Welle ist etwa das Licht oder ein akustisches Tonsignal.

  Im Bereich der klassischen Teilchenphysik ging man davon aus, dass Teilchen aus Materie bestehen, eine Masse haben und somit mechanische Energie tragen müssen.

  Durch die Entdeckung von Compton erfolgte ein Paradigmenwechsel in der Physik. Denn er stellte fest, dass sich die Eigenschaften von Wellen und Teilchen teilweise überschneiden und diese nicht in zwei getrennten Teilbereichen der Physik erfassbar waren.

  Damit begründete er das heute noch bestehende Postulat des Welle-Teilchen-Dualismus.