{"id":43487,"date":"2020-04-14T11:40:05","date_gmt":"2020-04-14T09:40:05","guid":{"rendered":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/?p=43487"},"modified":"2020-04-14T11:45:14","modified_gmt":"2020-04-14T09:45:14","slug":"physik-forscher-der-goethe-uni-loesen-raetsel-um-compton-effekt","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/aktuelles.uni-frankfurt.de\/en\/forschung\/physik-forscher-der-goethe-uni-loesen-raetsel-um-compton-effekt\/","title":{"rendered":"Physik: Forscher der Goethe-Uni l\u00f6sen R\u00e4tsel um Compton-Effekt"},"content":{"rendered":"
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Schematische Darstellung des Compton-Effekts (vorne), wie er im COLTRIMS-Reaktionsmikroskop (hinten) gemessen wird. Ein Photon (geschl\u00e4ngelte Linie) trifft ein Elektron eines Helium-Atoms, wodurch das Elektron aus dem Atom herausgeschlagen wird (roter Punkt). Das Atom wird dadurch zum geladenen Ion (blauer Punkt). Elektrische und magnetische Felder lenken Elektron und Ion zu Detektoren (rot: Elektronendetektor, blau: Ionendetektor). Copyright: Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Mit Licht lassen sich Elektronen aus Atomen herausschlagen, dabei prallen Lichtteilchen und Elektronen wie zwei Billardkugeln voneinander ab \u2013 der Compton-Effekt. Warum Elektronen sogar aus einem Atom herausgeschlagen werden, wenn das Licht daf\u00fcr eigentlich zu wenig Energie hat, hat jetzt ein internationales Team von Physikern unter der Leitung von Wissenschaftlern der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt herausgefunden.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Als der amerikanische Physiker Arthur Compton 1922 entdeckte, dass sich Lichtwellen wie Teilchen verhalten und in einem Sto\u00dfexperiment Elektronen aus Atomen herausschlagen k\u00f6nnen, war dies ein Meilenstein f\u00fcr die Quantenphysik. F\u00fcnf Jahre sp\u00e4ter wurde der Wissenschaftler daf\u00fcr mit dem Nobelpreis geehrt. F\u00fcr seine Experimente nutzte Compton sehr kurzwelliges Licht mit hoher Energie, demgegen\u00fcber er die Bindungsenergie des Elektrons an den Atomkern vernachl\u00e4ssigen konnte. Compton nahm daher f\u00fcr seine Berechnungen kurzerhand an, dass das Elektron frei im Raum ruhen w\u00fcrde.<\/p>\n\n\n\n

In den folgenden 90 Jahren wurden bis heute zahlreiche Experimente und Berechnungen zum Compton-Effekt gemacht, die immer wieder Asymmetrien zeigten und R\u00e4tsel aufwarfen. So wurde beobachtet, dass in bestimmten Experimenten scheinbar Energie verloren ging, wenn man die Bewegungsenergie der Elektronen und Lichtteilchen (Photonen) nach dem Zusammensto\u00df mit der Energie der Photonen vor dem Zusammenprall verglich. Da Energie nicht einfach verschwinden kann, wurde vermutet, dass sich in diesen F\u00e4llen der Einfluss des Atomkerns bei dem Photon-Elektron-Zusammenprall entgegen der vereinfachenden Annahme von Compton nicht vernachl\u00e4ssigen l\u00e4sst.<\/p>\n\n\n\n

Ein Team von Physikern um Professor Reinhard D\u00f6rner und Doktorand Max Kircher von der Goethe-Universit\u00e4t Frankfurt hat nun erstmals bei einem Sto\u00dfexperiment mit Photonen gleichzeitig die abgelenkten Elektronen und die Bewegung des Atomkerns beobachtet. Dazu bestrahlten sie Heliumatome mit R\u00f6ntgenlicht der R\u00f6ntgenstrahlungsquelle PETRA III am Hamburger Beschleunigerzentrum DESY. Die herausgel\u00f6sten Elektronen und die geladenen \u201eAtomreste\u201c(Ionen) detektierten sie in einem COLTRIMS-Reaktionsmikroskop, einer Apparatur, die D\u00f6rner mitentwickelt hat und die ultraschnelle Reaktionsprozesse von Atomen und Molek\u00fclen sichtbar machen kann.<\/p>\n\n\n\n

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Selfie von Max Kircher vor dem COLTRIMS-Reaktionsmikroskop<\/em><\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Die Ergebnisse waren \u00fcberraschend: Die Wissenschaftler beobachteten n\u00e4mlich nicht nur, dass die Energie der sto\u00dfenden Photonen nat\u00fcrlich erhalten bleibt und zu einem Teil auf in eine Bewegung des Atomkerns (genauer: des Ions) \u00fcberf\u00fchrt wird. Vielmehr wird zuweilen ein Elektron sogar aus dem Atom herausgeschlagen, wenn die Energie des sto\u00dfenden Photons eigentlich zu gering ist, um die Bindungskr\u00e4fte des Elektrons an den Atomkern zu \u00fcberwinden.<\/p>\n\n\n\n

Insgesamt wurde nur in zwei Dritteln der F\u00e4lle das Elektron dorthin gesto\u00dfen, wo man es bei einem Billard-Sto\u00dfexperiment erwarten w\u00fcrde. In allen anderen F\u00e4llen wurde das Elektron quasi vom Kern reflektiert und teilweise sogar in die entgegengesetzte Richtung gelenkt. <\/p>\n\n\n\n

Reinhard D\u00f6rner: \u201eWir konnten damit zeigen, dass das ganze System aus Photon, herausgeschlagenem Elektron und Ion nach quantenmechanischen Gesetzen schwingt. Unsere Experimente liefern damit einen neuen Ansatzpunkt zum experimentellen Testen quantenmechanischer Theorien des Compton Effekts, der zum Beispiel in der Astrophysik oder der R\u00f6ntgenphysik eine wichtige Rolle spielt.\u201c <\/p>\n\n\n\n

Publikation:\u00a0Kinematically complete experimental study of Compton scattering at helium atoms near the ionization threshold.<\/strong>\u00a0Max Kircher (Goethe University Frankfurt, Germany (GU)), Florian Trinter (Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY, Hamburg, Germany, and Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft, Berlin), Sven Grundmann (GU), Isabel Vela-Perez (GU), Simon Brennecke (Leibniz Universit\u00e4t Hannover, Germany), Nicolas Eicke (Leibniz Universit\u00e4t Hannover, Germany), Jonas Rist (GU), Sebastian Eckart (GU), Salim Houamer (University S\u00e9tif-1, Algeria), Ochbadrakh Chuluunbaatar (Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia (JINR); National University of Mongolia, Ulan-Bator), Yuri V. Popov (Lomonosov Moscow State University, Russia; JINR), Igor P. Volobuev (Lomonosov Moscow State University, Russia), Kai Bagschik (DESY) M. Novella Piancastelli (Sorbonne Universit\u00e9s, Paris, France; Uppsala University, Sweden) Manfred Lein (Leibniz Universit\u00e4t Hannover, Germany), Till Jahnke (GU), Markus S. Sch\u00f6er (GU), Reinhard D\u00f6rner (GU)\u00a0
Nature Physics, DOI 10.1038\/s41567-020-0880-2;\u00a0https:\/\/www.nature.com\/articles\/s41567-020-0880-2<\/a><\/p>\n\n\n\n

Quelle: Pressemitteilung vom 14. April, Goethe-Universit\u00e4t<\/em><\/p>","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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