Frage von Dongulus, 72

Photon auf Elektron elastisch oder unelastisch?

Trift ein Photon auf ein Elektron, handelt es sich hierbei um einen elastischen stoß oder um einen unelastischen?

Hilfreichste Antwort - ausgezeichnet vom Fragesteller
von SlowPhil, Community-Experte für Physik, 15

Es handelt sich um einen elastischen Stoß, auch als Compton-Stoß bekannt.

Ein Elektron hat keine inneren Freiheitsgrade (außer dem Spin, der aber nur zwei Ausrichtungen annehmen kann), deshalb kann auch keine Energie in irgendeine Art »innerer Wärmebewegung« dissipiert werden, wie dies bei einem makroskopischen Körper der Fall wäre.

Ein nicht elastischer Stoß mit einem Photon könnte ohnehin nur ein komplett unelastischer Stoß, d.h. eine Absorption sein, nur müsste das Streuzentrum die überschüssige Energie irgendwie speichern können. Atome können dies, durch Anregung.

Die ursprüngliche Photonenenergie ħω₀ bleibt also dem Gesamtsystem erhalten. In einem System, in dem das Elektron ursprünglich »ruht« (so weit das überhaupt möglich ist) gilt also:

ħω₀ = ħω₁(ϑ) + (γ(ϑ) – 1)·mₑc² ≈ ħω₁(ϑ) + ½β²(ϑ)·mₑc²,

wobei ħ das reduzierte Plancksche Wirkungsquantum, ω₀ die ursprüngliche Kreisfrequenz des Photons, ω₁(ϑ) die vom Streuwinkel ϑ abhängige Kreisfrequenz des gestreuten Photons, mₑ die Elektronenmasse, c die Vakuumlichtgeschwindigkeit, β die Geschwindigkeit in Einheiten von c und

γ = 1/√{1 – β²}

der Lorentz-Faktor ist. Am meisten Energie verliert natürlich das im Winkel ϑ = π in die Ausgangsrichtung reflektierten Photonen, wodurch sich die Wellenlänge

λ = 2πc/ω

vergrößert. Diese Vergrößerung (im Winkel π) ist charakteristisch für ein Streuzentrum einer bestimmten Masse (sie ist umgekehrt proportional zu ihr) und heißt dessen Compton-Wellenlänge.

Kommentar von Reggid ,

Ein nicht elastischer Stoß mit einem Photon könnte ohnehin nur ein komplett unelastischer Stoß, d.h. eine Absorption sein...

das photon muss nicht absorbiert werden. es können auch weitere teilchen erzeugt werden wenn die energie hoch genug ist.

z.B. photon + elektron --> photon + elektron + elektron + positron

ist auch inelastisch.

allerdings sehr stark unterdrückt. normale paarbildung 

photon + elektron --> elektron + elektron + positron

also quasi eine "absorbtion" (auch wenn man es nicht so nennt) wird wohl viel häufiger sein.

Kommentar von SlowPhil ,

Du hast natürlich Recht, bei hohen Energien wird es zu Paarbildungsprozessen kommen. Ich habe jetzt nur an Energien gedacht, die weit unterhalb der Paarbildungsenergien liegen, im Comptonbereich.

Expertenantwort
von TomRichter, Community-Experte für Physik, 26

Der elastische Stoß ist dadurch gekennzeichnet, dass die kinetische Energie erhalten bleibt. Das kann bei Photon+Elektron der Fall sein - ein am Spiegel reflektiertes Photon zum Beispiel.

Die kinetische Energie kann aber auch samt dem Photon verschwinden - Lichtabsorption. Oder teilweise verschwinden - Compton-Streuung..

Ausführlich hier beschrieben:

http://fam-pape.de/raw/ralph/studium/teilchenphysik/

Antwort
von DieMilly, 38

Wenn das Elektron frei ist, dann ist es elastisch.

Es wäre ein inelastischer Stoß, wenn das Elektron gebunden wäre und dabei aus dem Atom heraus gestoßen würde, weil dann ein Teil der Energie dafür drauf ginge.

Kommentar von Richard30 ,

Aber wie sieht es dann aus, heisst das, ein Photon würde vollständig reflektiert werden, es würde keine Energie verlieren? Könnte man so nicht einen pefekten Spiegel herstellen? Die Frage wäre dann nur, wie man die Elekteronen dazu bringt, dass sie halt frei sind, aber dennoch an Ort und Stelle fixiert.

Oder ist es deswegen so, dass Metalle so gut reflektieren, weil sie halt so viele "Freie" Elektronen haben?

Kommentar von DieMilly ,

Nee, das Photon kann ja Energie auf das Elektron übertragen. Es geht nur darum, ob Energie für etwas anderes genutzt wird als der Stoß zwischen den Teilchen. D.h. entweder wenn ein Elektron rausgekickt wird oder wenn andere Teilchen erzeugt werden. Es ist auch ein elastischer Stoß, wenn das Elektron gebunden ist aber keine Ionisation geschieht. 

Antwort
von Reggid, 40

ist beides möglich.

wenn dabei keine neuen teilch entstehen (compton-streuung), dann ist es ein elastischer stoß.

wenn neue teilchen erzeugt werden (paar-bildung), dann ist es ein inelastischer stoß.

Kommentar von PWolff ,

Röntgenresonanzabsorption ist ebenfalls inelastisch.

Kommentar von Reggid ,

hmmm ich habe jetzt nur an freie elektronen gedacht.

k.A. wie der fragesteller es genau gemeint hat.

Antwort
von NeoExacun, 39

In diesen Größenordnungen kann man nicht mehr von Stößen reden. Das ist eine verdammt komplexe Wechselwirkung von Feldern.

Ist das eine reine Interessensfrage?

Kommentar von Dongulus ,

jub

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