Quelltext der Seite Thomson-Streuung

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'''Thomson-Streuung''' (nach [[Joseph John Thomson]]) bezeichnet die elastische [[Streuung (Physik)|Streuung]] von Licht ([[Photon]]en) an geladenen freien oder (im Vergleich zur Photonenenergie) schwach gebundenen Teilchen (im Allgemeinen [[quasifrei]]e [[Elektron|Elektronen]]). Die Thomson-Streuung ist dabei der Grenzfall der [[Compton-Streuung]] für kleine Photonenenergien. Beide Streuungen beschreiben das gleiche Phänomen und beruhen auf einem [[Elastischer Stoß|elastischen Stoß]].

Geladene Teilchen werden durch das Feld einer [[Elektromagnetische Welle|elektromagnetischen Welle]] zu kohärenten harmonischen Schwingungen in der Ebene des elektrischen Feldes angeregt. Da diese Oszillation eine beschleunigte Bewegung ist, strahlen die Teilchen gleichzeitig Energie in Form einer elektromagnetischen Welle gleicher Frequenz ab ([[Hertzscher Dipol|Dipolstrahlung]]). Man sagt, die Welle wird gestreut.

Thomson-Streuung ist eine rückstoßfreie Streuung, d.&nbsp;h., es findet kein Impulsübertrag vom Photon auf das Elektron statt. Sie tritt nur auf, solange die Energie der einfallenden Photonen klein genug ist, d.&nbsp;h., die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung viel größer ist als ein Atomradius (z.&nbsp;B. weiche [[Röntgenstrahlung]]). Bei kürzeren Wellenlängen, also höheren Energien, muss der Rückstoß des Elektrons berücksichtigt werden ([[Compton-Effekt|Compton-Streuung]]).

Dieses Modell gilt auch für freie Elektronen im Metall, deren Resonanzfrequenz aufgrund fehlender Rückstellkräfte gegen Null geht. Streuung an gebundenen Elektronen oder ganzen Atomen bezeichnet man als [[Rayleigh-Streuung]].

In der Praxis nutzt man (bei nicht allzu kleinen Dichten) die Thomson-Streuung als Methode zur Bestimmung der Elektronendichte (Intensität der Streustrahlung) und Elektronentemperatur (spektrale Verteilung der Streustrahlung, unter Annahme einer [[Maxwell-Boltzmann-Verteilung|Maxwell-Verteilung]] der Geschwindigkeit).

Der klassische '''Thomson-Wirkungsquerschnitt'''<ref>Claude Amsler: ''Kern- und Teilchenphysik''. vdf Hochschulverlag, 2007, ISBN 978-3-7281-3695-4, {{Google Buch|BuchID=iaVKCgAAQBAJ|Seite=123|Hervorhebung=Thomson-Wirkungsquerschnitt}}.</ref> ergibt sich als Grenzfall hoher Frequenz (im Vergleich zur Eigenfrequenz, <math>\omega \gg \omega_0</math>) aus dem [[Oszillatormodell]]:

:<math> \sigma_\mathrm{T} = \frac{8 \pi}{3} r_e^2 = \frac{1}{6 \pi \epsilon_0^2} \frac{e^4}{{m_e}^2 c^4}= 6{,}652\,458\,558(27) \cdot 10^{-29}\,\mathrm{m}^2 </math>

wobei <math>r_e</math> der [[Klassischer Elektronenradius|klassische Elektronenradius]] ist.

Eine bessere Näherung für kleine Energien erhält man durch Expansion der [[Klein-Nishina-Wirkungsquerschnitt|Klein-Nishina-Formel]]:

:<math>\sigma(\nu) = \sigma_\mathrm{T} \left(1-2\alpha + \frac{56}{5}\alpha^2 + \dots\right)</math>

mit dem Faktor <math>\alpha = \frac{h \nu}{m_e c^2}.</math>

Eine Anwendung der Thomson-Streuung sind Messungen der Dichte im [[Plasma (Physik)|Plasma]] in [[Fusionsreaktor]]en. Dabei werden aus mehreren aktiv gütegeschalteten [[Nd:YAG-Laser]]n (Wellenlänge 1064 nm) parallele Lichtstrahlen von unten ins Plasma eingestrahlt. Im rechten Winkel dazu werden über eine Optik die gestreuten Lichtteilchen über [[Monochromator]]en gemessen. Es kommt dabei zur Verschiebung um bis zu 700 nm. Durch die relativ geringe Pulsrate der Laser ist die zeitliche Auflösung begrenzt. Es lassen sich aber meist mehrere Laser unmittelbar hintereinander abfeuern. Damit ist in einem kurzen Zeitintervall die Auflösung höher.

== Einzelnachweise ==
<references />

== Siehe auch ==
* [[Polarisationsfaktor]]

[[Kategorie:Optik]]
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