Techniklexikon

Elektronenstreuung

KernphysikLaboratoriumsmethoden und -geräte, Ablenkung von Elektronen aus ihrer ursprünglichen Bahn. Bei der Elektronenstreuung können grundsätzlich zwei verschiedene Varianten von Streuprozessen unterschieden werden. Wird das Elektron lediglich aus seiner ursprünglichen Flugbahn abgelenkt, ohne dass es Energie abgibt, spricht man von elastischer Streuung. Der Streupartner ist dabei meist das Coulomb-Potential eines Atomkerns. Ein Mass für die Wahrscheinlichkeit dieses Vorgangs ist der elastische Streuquerschnitt , wobei Z die Ordnungszahl des streuenden Atomkerns und l die De-Broglie-Wellenlänge des Elektrons ist. Falls das Elektron neben einer Änderung der Flugbahn auch noch eine Verminderung der Energie erfährt, spricht man von inelastischer Streuung. Der Streupartner ist dabei meist das gesamte Atom (Kern + Hülle). Der Streuquerschnitt für die inelastische Elektronenstreuung ist . Ein Vergleich der beiden Wirkungsquerschnitte der elastischen und der inelastischen Streuung führt für typische Elektronenwellenlängen zu der Beziehung

.

Für die Anwendung insbesondere des Transmissionselektronenmikroskops ergeben sich daraus wichtige Folgerungen. An leichten Elementen (Z < 26) werden die Elektronen vorwiegend inelastisch, d.h. in kleinen Winkeln gestreut, während an schweren Elementen die elastische Streuung überwiegt. Diese Eigenschaft wird insbesondere bei mit Schwermetallen kontrastierten Präparaten zur Kontrasterzeugung genutzt.

Aus Streuversuchen hochenergetischer Elektronen (im MeV- bis GeV-Bereich) an Nukleonen und Kernen können wichtige Kerneigenschaften wie z.B. der Radius des Kerns oder die Substruktur des Nukleons gewonnen werden.

Da die Elektronen mit dem Kern nur elektromagnetisch wechselwirken, spüren sie die Kernkräfte nicht. Der Kern ist für die Elektronen durchsichtig. Da die Wellenlänge der Elektronen sehr kurz gewählt werden kann (500 MeV entsprechen  = 0,4 fm), erreicht man eine hohe Auflösung. Die Winkelverteilung der Elektronen bei der Streuung an einem punktförmigen geladenen Objekt mit Kernladungszahl Z wird durch die Mott-Streuformel

beschrieben, wobei E die Energie der einfallenden Elektronen und  v  = bc ihre Geschwindigkeit ist. Der Term b²sin²q / 2 stammt von der Wechselwirkung des magnetischen Moments der Elektronen mit dem Magnetfeld des Targets. Bei ausgedehnten Strukturen muss zusätzlich die räumliche Verteilung der betrachteten Targetteilchen durch den elektromagnetischen Formfaktor berücksichtigt werden. [HG1, RK1]