Wechselwirkung von Strahlung mit Materie: Anregung von kohärenter Streuung

Inhalt Erzwungene Schwingung der Valenz-Elektronen: Kohärente Streuung Anregung eines Atoms durch Absorption und anschließende Emission: Inkohärente Streuung

Wechselwirkung der Strahlung mit freien Atomen (monoatomare Gase) Diskrete Eigenfrequenzen, angeregt durch Strahlung im Bereich dieser Eigenfrequenzen (vgl. Bohrsches Atommodell) inkohärente Strahlung Erzwungene Schwingung kohärente Strahlung

Inkohärente Strahlung Bei atomarer Anregung der Strahlung sind Absorption und Emission zeitlich nicht streng korreliert: Die Phasenlage beider Strahlungen ist beliebig: „Inkohärente Strahlung“

Kohärente Strahlung Kohärent ist die Strahlung bei Anregung einer erzwungenen Schwingung Anregende Amplitude und Amplitude der ausgehenden Kugelwellen sind zeitlich streng korreliert Kohärenz ist die Voraussetzung für Beugung und Abbildung

Anregende und emittierte Welle sind phasengleich Beispiel für die Entstehung kohärenter Strahlung Anregende und emittierte Welle sind phasengleich

Beispiel für die Wirkung kohärenter Strahlung bei zwei benachbarten, identischen Streuzentren: Das Interferenzmuster der emittierten Strahlung enthält Information über das Objekt!

Beugungsbild und Original Kleinere Abstände als die Wellenlänge sind ohne Einfluss auf das Beugungsbild Vergrößerung der Abstände verkleinert die Winkel zwischen den auslaufenden ebenen Wellen

Zwei Streuzentren mit Abstand klein gegenüber der Wellenlänge

Abstände der Streuzentren wenig kleiner als die Wellenlänge

Abstände der Streuzentren etwa gleich der Wellenlänge

Abstände der Streuzentren etwa doppelte Wellenlänge

Abstände der Streuzentren wenige Wellenlängen

Abstände der Streuzentren etwa 10 Wellenlängen

Interferenzmuster eines Spalts Eine einfallende ebene Welle trifft das Objekt Kugelwellen erzeugen ein Interferenzmuster (Huygenssches Prinzip) Im „Fernfeld“ erscheint es als divergente, ebene Wellen Die Information über das Objekt steht in Richtung, Intensität und in der Phase der divergenten Wellen 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Objekt

Vom Beugungsbild zur Abbildung Die Öffnung (Apertur) des abbildenden Systems muss mindestens 2 Wellen erfassen Divergente Wellenfelder werden zu konvergenten umgelenkt (Linse) Am Ort der Überlagerung muss die Bildebene stehen (Fokussierung)

Das Auge

Intensität Richtung Phase Konstruktion der Abbildung von zwei Streuzentren durch einige ebene Wellen Beiträge zur Abbildung: Intensität Richtung Phase

Da Capo

Anwendung der Beugung: Röntgenbeugung an Kristallen Abbildung: Beugungsbild eines kubischen Kristalls, Für Röntgenlicht gibt es keine Linse: Das Objekt muss durch Fourier Transformation des Beugungsbilds erzeugt werden Röntgenröhre, Bremsstrahlung K2SnCl6 Gitterkonstante 1,0 nm , aufgenommen in Richtung der 4-zähligen Achse in Laue Geometrie, und Schema der Bildentstehung. Der Kristall ist zu groß gezeichnet, er wird in Wirklichkeit vom Strahl umspült.

„Erzwungene“ Schwingungen in Flüssigkeiten und Festkörpern Bei kohärenter Anregung der Oszillatoren eines Mediums zeigt die resultierenden Welle eine kleinere Ausbreitungsgeschwindigkeit als im Vakuum: Brechung der „Strahlen“ beim Eintritt ins Medium Man „sieht“ deshalb die Grenzfläche zum Medium

Folge: Brechung des Lichts Das Snelliussche Brechungsgesetz: Grundlage für die Funktion aller Linsen in Augen und in optischen Instrumenten

Das Snelliussche Brechungsgesetz liegen immer in einer Ebene Ausbreitungsgeschwindig-keiten im Medium 1 und 2 Vektor des ins Medium gebrochenen Strahls i=1,2: Definition des Brechungsindex

Frequenzbereiche der Oszillatoren Technische Schwingkreise Molekül-schwingungen Valenz Elektronen 380 nm Violett 7,9 1014Hz 780 nm rot 3,8 1014Hz Innere Orbitale Kern-reaktionen

Die Wechselwirkung von Strahlung mit Materie gliedert sich in: Anregung eines Atoms durch Absorption und anschließende Emission: Inkohärente Streuung Wegen der unbestimmten Zeit zwischen Anregung und Emission (ca. 10-8 s) fehlt die feste Phasenbeziehung zwischen einfallender und ausfallender Welle, deshalb ist diese Strahlung für Beugung und Abbildung ungeeignet Erzwungene Schwingung der Valenz-Elektronen: Kohärente Streuung Feste Phasenbeziehung zwischen einfallender und ausfallender Welle, Grundlage für Beugung und Abbildung

finis