Teilchen-Eigenschaften von Wellen 31 S. 3.1 StrahlungsgesetzeS. 2 3.2 Photo-EffektS. 13 3.3 Thomson und Compton Streuung S. 16 3.4 BremsstrahlungS. 22 3.5 Paar-Erzeugung und -VernichtungS. 27

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Teilchen-Eigenschaften von Wellen 31 S.3.1
Strahlungsgesetze S. 2 3.2 Photo-Effekt S.
13 3.3 Thomson und Compton Streuung S. 16 3.4
Bremsstrahlung S. 22 3.5 Paar-Erzeugung und
-Vernichtung S. 27
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3.1 Strahlungsgesetze
ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG ELEKTROMAGNETISCHE STRAHLUNG
Typ Wellenl. ? Frequenz ? Energie E
LW 3 km 100 kHz
MW 300 m 1 MHz
KW 30 m 10 MHz
UKW 3 m 100 MHz
GPS 30 cm 1 GHz
Mikrowelle 3 cm 10 GHz
IR gt 1µm lt 100 THz lt 1 eV
sichtbar 500 nm 2 eV
UV lt 400 nm gt 3 eV
Röntgen lt 1nm gt 1 keV
? gt 100 keV
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Energie- und Impuls-Dichte
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Photon-Energie und -Impuls
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Vergleich klassische vs. Quanten-Physik
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Stehende Wellen im Hohlraum
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Modendichte im Hohlraum-Resonator
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Modendichte der Resonanz-Frequenzen
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Plancks Strahlungs-Gesetz
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Hintergrund-Strahlung des Universums
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Deutung des Strahlungs-Gesetzes
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Stefan-Boltzmann Gesetz
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3.2 Photo-Effekt
Photo-Effekt Erzeugung freier Elektronen durch
Absorption elektromagnetischer Strahlung (Licht,
Röntgen, ?'s) a) Licht-elektrischer
Effekt Metallplatte mit sichtbarem oder UV-Licht
bestrahlt Klassische Erwartung das absorbierte
Licht gibt seine Energie an die Elektronen im
Metall ab, bis diese im Mittel soviel kinetische
Energie gesammelt haben, dass sie die
Austrittsarbeit WA des Metalls überwinden können
und abdampfen. Dies kann bei normaler
Licht-Leistung (Watt) sehr lange dauern. Die
Energie der austretenden "Photo-Elektronen"
steigt mit der Lichtleistung S E02. Messung
(Lenard, 1900)
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Ergebnis und Deutung der Messung
Messung der maximalen kinetischen Energie der
austretenden Elektronen mittels Gegenspannung U
Ergebnis ? Strom I 0 wenn Ekmax h? -WA,
dh. die kinet. Energie der Elektronen hängt nur
von der Frequenz ? des absorbierten Lichtes ab.
? Mit der Strahlungs-Leistung des Lichtes wächst
allein die Zahl N der herausgelösten Elektronen.
? Die Emission geschieht instantan. Deutung ?
Das Licht ist quantisiert zu Photonen der
Energie E h?, die sie nur als ganzes auf die
einzelnen Elektronen übertragen. ? Die Energie
des el.-magn. Feldes E02 ist gegeben durch die
mittlere Zahl N der Photonen W ltNgt h?. b)
Photo-Effekt mit Röntgen-Strahlen Jedesmal, wenn
Energie des Röntgen-Quants ausreicht, ein
Elektron aus einer noch tieferen Schale des
Atoms heraus zu schlagen (Physik IV), nimmt der
Absorptions-Koeffizient sprunghaft zu
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Anwendungen Photo-Effekt
Bauelement
A solar cell, made from a monocrystalline silicon
wafer
CCD used for ultraviolet imaging
Photomultiplier, Channeltron
Anwendung
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3.3 Thomson und Compton Streuung
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Thomson Streuung
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Natural constants
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Compton-Effekt
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Berechnung des Compton-Effekts
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Ergebnisse und Deutung des Compton-Effekts
Deutung Mit Photonen kann man Billard spielen
wie mit anderen Teilchen, wenn man ihnen die
kinetische Energie h? und den Impuls hk zuordnet.
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3.4 Bremsstrahlung
Bremsstrahlung a photon is radiated when an
electron/positron is deflected in the electric
field of a nucleus
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Synchrotron Strahlung
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Synchrotron Quellen
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Wiggler-Magnete
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Synchrotron Strahlplätze
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3.5 Paar-Erzeugung und -Vernichtung
Paar-Erzeugung ein Photon wird in ein e-e--Paar
umgewandelt. Der Prozess kann nur in Gegenwart
eines Kerns stattfinden, der den Rückstoss
aufnimmt (Hausaufgabe). Die Schwellenergie ist
E?min 2mc2 1022 keV (Kern-Rückstoss
vernachlässigbar). Paar-Vernichtung ein
Teilchen und sein Anti-Teilchen vernichten sich
gegenseitig, Beispiel e e- ? ? ?
Blasenkammer-Aufnahme von ? ? ee- im B-Feld
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Schauerbildung
The electromagnetic shower originates when an
high-energy photon (or e- or e) is incident on
an absorber. If the energy is sufficiently high,
it starts a multiplicative cascade of secondary
electrons and photons via bremsstrahlung and pair
production. As the shower develops it broadens
laterally. Schematisch Simuliert
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Höhen-Strahlung
KASKADE detector array
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Anwendung PET Positronen Emissions Tomographie
Image of a typical positron emission tomography
(PET) facility
Schema of a PET acquisition process
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Zusammenfassung WW ? mit Materie
?-Absorptions-Koeffizient t
?-Absorption in Schichtdicke x N? N?0 e-tx
Röntgen ?'s