Wieso unbedingt Elektronen beschleunigen?

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3 Antworten

wie andere schon geschrieben haben ist a) einfache erzeugung in großen mengen, undn b) elektrische ladung (damit sie überhaupt beschleunigt und gelenkt werden können) quasi eine grundvorrausetzung.

damit stehen meist elektronen (positronen), protonen (antiprotonen) und schwerere atomkerne zur verfügung. und mit all diesen gibt es auch große beschleunigeranlagen.

der grund warum man gerne elektronen verwendet ist der, dass von den oben angeführten nur elektronen wirkliche elementarteilchen ohne innere struktur sind (zumindest können wir mit den uns heute zugänglichen energien keine sehen), während z.B protonen aus quarks und gluonen bestehen und eine gewissen ausdehnung haben, also nicht als punktteilchen angesehen werden können. daher sind experimente mit elektronen viel präziser als mit protonen (nämlich sowhol in der experimentellen auswertung als auch von den theoretischen rechnungen her), weil in protonen neben den zwei eigentlich kollidierenden elementarteilchen noch jede menge anderer mülll herumschwirrt, was das ganze viel komplizierter macht. auch unterliegen die quarks und gluonen im proton auch der starken wechselwirkung, während elektronen das nicht tun, was die sache auch viel schwieriger macht.

die geringe masse von elektronen ist übrigends ein nachteil, da man sie dadurch in ringbeschleunigern nicht auf so hohe energien beschleunigen kann. beschleunigte ladungen (und auf einer kreisbahn sind sie immer beschleunigt) strahlen nämlich elektromagnetische wellen ab (sogenannte synchrotronstrahlung), wodurch sie energie verlieren. dieser energieverlust ist proportional zu (1/M)^4, d.h. er ist für leichte teilchen viel viel größer und irgendwann strahlen sie gleich viel ab wie man ihnen zuführt und dann beschleuigen sie nicht mehr weiter. bei liniearbeschleunigern hingegen macht das kein problem, aber damit kann man die teilchen nicht so gut auf hohe energie bringen (weil ich sie eben nicht mehrmals im kreis schicken kann und dabei immer weiter beschleunigen) und auch nicht eine so hohe kollsionsrate erzeugen (weil in einem linearbeschleuniger die teilchen die nicht treffen (und sie treffen so gut wie gar nie) einfach verloren sind, während sie im ringbeschleuniger einfach noch eine runde drehen und dann wieder zum kollisionspunkt kommen)

also vorteil von elektronen: hohe präzision

nachteil: nicht so hohe energie

daher ist es auch interessant sich die beschleuniger am CERN der letzten jahrzehnte anzusehen: in den 80ern, zum nachweis der als sehr schwer vermuteten W und Z bosonen, hatte man einen proton-antiproton collider um möglichst hohe energien zu erreichen. als man sie entdeckt hatte war der nächste collider der LEP, ein elektron-positron collider, mit dem man die eigenschaften dieser teilchen sehr genau vermessen konnte. zum nachweis des higgs-teilchens, dessen masse man vorher ja nicht kannte, und möglicherwiese schwere teilchen jenseits des standandardmodells (noch hat man nichts gesehen) brauchte man den LHC, einen proton-proton collider (wird teilchweise auch mit bleiionen betrieben), damit man wieder auf noch nie zuvor erreichte energien kommt. wo wir jetzt die masse des higgs kennen ist der nächste große beschleuniger so gut wie sicher wieder eine elektron-positron collider, der ILC, mit dem man z.B das higgs sehr genau vermessen könnte (der ILC so wie er geplant ist hätte dann sogar wieder eine geringere energie als der LHC). der ILC wird aber wohl nicht in Genf gebaut sondern in Japan, wenn er denn überhaupt gebaut wird :-(

LaneyMo 14.06.2014, 19:10

Vielen vielen Dank für diese verständliche Antwort! Das hat mir wirklich weiter geholfen! :)

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Reggid 14.06.2014, 19:25
@LaneyMo

gern geschehen.

und weil ich gerade gesehen habe dass du deiner frage positronen schon erwähnt hast. falls das in meiner antwort vl. nich so ganz klar geworden ist weil ich immer von elektronen geschrieben haben.: das alles gilt selbstverständlich genauso auch für positronen (sind als antiteilchen des elektrons ja eigentlich exakt dasselbe), und man verwendet ja auch immer elektron-positron collider und niemals elektron-elektron (hab zumindest noch nie davon gehört und würd auch keinen sinn machen)

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Wie diroda schon sagt, freie Elektronen sind am einfachsten zu erzeugen. Für andere elektrisch geladene Teilchen benötigt man verhältnissmäßig viel mehr Energie.

Die Masse ist kein Grund, denn sie spielt für die Beschleunigung im elektrischen Feld keine Rolle.

Aber z.B. beim CERN-Projekt in der Schweiz werden auch Protonen beschleunigt, da ihr Kollisionsverhalten anscheinend auch sehr interessant ist.

LaneyMo 14.06.2014, 14:09

Vielen Dank für die gute Antwort!

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Ja wegen der Ladung, dadurch sind sie erst steuerbar. Freie Elektronen sind relativ einfach zu erzeugen. Sie haben eine geringe Masse.

LaneyMo 14.06.2014, 12:20

Aber es gibt doch auch andere Teilchen, die eine Ladung besitzen. Kommen die nicht in Frage? Und wieso ist eine geringe Masse von Vorteil? Ionen sind ja im Vergleich relativ schwer, also wären sie dementsprechend ungeeignet?

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alterFritz11 14.06.2014, 13:42
@LaneyMo

Wie diroda schon sagt, freie Elektronen sind am einfachsten zu erzeugen. Für andere elektrisch geladene Teilchen benötigt man verhältnissmäßig viel mehr Energie.

Die Masse ist kein Grund, denn sie spielt für die Beschleunigung im elektrischen Feld keine Rolle.

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JTKirk2000 14.06.2014, 14:19

Es würde mich doch überraschen, wenn man freie Elektronen einfach erzeugen könnte. Was ich eher als wahrscheinlich sehe ist, dass man Elektronen relativ leicht aus Atomen lösen kann. (Zum Beispiel durch den fotoelektrischen Effekt.)

Eine geringe Masse ist aber durchaus von Vorteil, denn nach der Formel E = m * c² braucht man bei weniger Masse auch weniger Energie, um dieselbe Geschwindigkeit zu ermöglichen.

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Reggid 14.06.2014, 18:32
@JTKirk2000
Eine geringe Masse ist aber durchaus von Vorteil, denn nach der Formel E = m * c² braucht man bei weniger Masse auch weniger Energie, um dieselbe Geschwindigkeit zu ermöglichen.

das ist aber kein vorteil, denn an teilchenbeschleunigern ist man eben an hohen energien interessiert, nicht per se an großen geschwindigkeiten.

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JTKirk2000 14.06.2014, 18:49
@Reggid
das ist aber kein vorteil, denn an teilchenbeschleunigern ist man eben an hohen energien interessiert, nicht per se an großen geschwindigkeiten.

Das kommt vermutlich grundlegend auf den Zweck des Experiments an.

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Reggid 14.06.2014, 19:01
@JTKirk2000

natürlich, aber ich wüsste jetzt nicht was man an teilchenbeschleunigern mit elektronen aufgrund ihrer großen geschwindigkeit machen könnte.

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JTKirk2000 14.06.2014, 19:38
@Reggid

Soweit ich verstehe, ist bei Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit so oder so die erforderliche Energie enorm (sie wird durch die Lorentztransformation beeinflusst). Natürlich kann man dadurch, dass Elektronen etwa eine 1836fach geringere Masse haben bei exakt gleicher Geschwindigkeit entsprechend weniger Energie einsetzen, aber wenn man die Zielgeschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit nur minimal erhöhen will (zum Beispiel von 299792443,0103771 m/s auf 299792457,9997002 m/s) würde man bei Elektronen denselben Energieverbrauch zur Beschleunigung auf die höhere Geschwindigkeit haben, wie bei Protonen auf die geringere der beiden Geschwindigkeiten.

Bei Teilchenbeschleunigern geht es um Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit. Das bedeutet, dass man da mit der klassischen Mechanik nichts mehr wirklich anfangen kann, sondern notwendigerweise mit relativistischer Mechanik rechnen muss (die Lorentztransformation, welche dahingehend Zeitdilatation, Längenkontraktion und Massenträgheit beschreibt, ist da noch eine Grundlage die ebenso simpel (im Vergleich zu anderen dahingehenden Zusammenhängen) wie notwendig ist, um es zu verstehen).

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Reggid 14.06.2014, 20:07
@JTKirk2000

alles richtig was du schreibst. mit der selben energie kann man elektronen auf höhere geschwindigkeiten bringen als protonen, bzw. bei einer gegebenen geschwindigkeit brauche ich für eletronen weniger energie. hab ich auch nie bestritten. und selbstverstänlich kann man an teilchenbeschleunigern auch nicht mehr die klassiche mechanik anwenden.

was ich meinte ist, dass mir kein experiment an einem teilchenbeschleuniger bekannt ist bei dem man elektronen oder protonen auf eine möglichst große geschwindigkeit bringen möchte, einfach nur der bloßen geschwindigkeit wegen(dann würde man sich bei leichten teilchen in der tat energie sparen). man will sie aber auf eine große geschwindigkeit bringen weil man eine große energie haben möchte, d.h. aber dass es in dieser hinsicht keinen vorteil bei leichten teilchen gibt, denn man braucht immer die gleiche energie (nämlich eben die die ich in die teilchen stecke).

aber vielleicht kennst du experimente, bei denen es explizit um die geschwindigkeit der elektronen und nicht um deren energie geht.

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JTKirk2000 14.06.2014, 20:24
@Reggid
aber vielleicht kennst du experimente, bei denen es explizit um die geschwindigkeit der elektronen und nicht um deren energie geht.

Da bin ich mir nicht so sicher, aber es wäre sicher denkbar, dass es irgendwann für Experimente interessant wird, bei denen es auf die Geschwindigkeit tatsächlich ankommt, also auf die Energie je Masse, wenn man so will. Mir würde da spontan einiges einfallen, aber das bedeutet nicht, dass es auch praktisch bereits versucht wird.

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zalto 14.06.2014, 21:33
@JTKirk2000

Glühkathode und mit einer Spannung absaugen (a la Röntgenröhre) - schon sind die Elektronen frei.

Die präzisere ist über den photoelektrischen Effekt, da kann man sogar über die Laserpolarisation und geeignetem Halbleitermaterial die Polarisation der Elektronen beeinflussen.

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JTKirk2000 14.06.2014, 21:43
@zalto
Glühkathode und mit einer Spannung absaugen (a la Röntgenröhre) - schon sind die Elektronen frei.

Darauf habe ich ja angespielt. Die Glühkathode bewirkt einen ähnlichen Effekt wie der photoelektrische Effekt, aber beide erzeugen eben keine Elektronen, sondern setzen nur vorhandene frei. Es werden also keine freien Elektronen erzeugt, sondern es werden nur vorhandene Elektronen freigesetzt. Es ist die falsche Wortwahl, auf die ich hingewiesen habe.

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