Compton-Effekt  (Theorie)                                    
Grundsätzliches
Betrachtet man die Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie, so sind - sieht man einmal von der "elastischen" Rayleigh-Streuung ab - u.a. für die Schulphysik drei Effekte von Bedeutung: Die Lichtanregung (Fluoreszenz), der Photoeffekt und der Compton-Effekt - ggf. noch die Paarbildung.
Soll der Compton-Effekt experimentell nachgewiesen werden, so ist es natürlich von Vorteil, wenn die anderen Wechselwirkungen möglichst gering sind.
Bei der Streuung von Lichtquanten der Energie um 60 keV an Plexiglas (kleine Ordnungszahl Z), ist nahezu ausschließlich der Compton-Effekt von Bedeutung.
Bei der Streuung von Photonen, deren Quantenenergie vergleichbar mit der Ruheenergie der Elektronen ist, werden (im Gegensatz zum Photoeffekt) die Photonen nicht "vernichtet", sondern existieren weiterhin mit verminderter Frequenz (hf¢ ). Den Differenzbetrag zur ursprünglichen Energie (hf) übernimmt das Elektron.
Betrachtet man die Wellenlänge l ¢ der Streustrahlung so ist diese nach Compton abhängig vom Streuwinkel:.

Die vektorielle Darstellung der Impulsverhältnisse liefert das bekannte Diagramm:

Der quantitative Nachweis der Wellenlängen-(Energie)-Änderung gilt als experimentell problematisch (Siehe Göhler [ 1] ). Die hier verwendete Methode geht u.a. auf einen Vorschlag von Hieltscher [ 2] zurück. Natürlich ist es möglich, den Compton-Effekt gewissermaßen als "Abfallprodukt" der Photonenwechselwirkung im NaJ(Tl)-Zählerkristall zu betrachten
(® g -Spektroskopie); allerdings erweist sich diese Methode als didaktisch nicht unproblematisch (siehe Hieltscher [ 2] ).

Experimentelle Konsequenzen
In der aktuellen Schulbuchliteratur für die gymnasiale Oberstufe wird der Compton-Effekt als Experiment ausschließlich mit Hilfe der Wellenlängenabhängigkeit bei der Absorption von Röntgenstrahlung ("Transmissionsmethode") dargestellt (siehe u.a. die Werke von Kuhn [ 3] und Grehn [ 4] ). Damit ist jedoch nur ein indirekter, qualitativer Nachweis des Compton-Effektes möglich.
Mit Hilfe der Vielkanal-Analyse ist der Compton-Effekt mit den in der Versuchsanleitung aufgeführten Geräten auch quantitativ durchführbar. Als Photonenquelle dient das Präparat Am-241, welches
vorwiegend als intensiver a -Strahler im Unterricht eingesetzt wird. Nach dem a -Zerfall entsteht das radioaktive Zerfallsprodukt Np-237, welches eine genügend scharfe g -Linie bei 59,5 KeV aufweist.
Diese Photonen werden nun für die Compton-Streuung ausgenutzt. Die Energie der um den Winkel a gestreuten Photonen berechnet sich aus der bekannten Formel
 

Die Verwendung von 59,5 KeV - Photonen läßt einerseits eine ausreichend große Differenz zwischen h f und h f ' , nämlich bis 11 KeV zu, andererseits lassen sich Quanten dieses Energiebetrages durch Verwendung von einigen Millimetern Bleiabschirmung in eine definierte Richtung lenken, was beispielsweise bei der Verwendung von 662 KeV - Photonen von Cs-137 nur sehr schwer möglich ist.
Außerdem fällt das Energiemaximum der gestreuten Strahlung in einen Energiebereich, in dem im ungestreuten Spektrum nur wenig Ereignisse registriert werden. Somit ist eine ausreichende Trennung der Peaks möglich.

Literatur:
[ 1] H. Göhler "g - und b -Szintillations-Spektrometrie" (LH 559971)
[ 2] H. Hieltscher "Quantitative Demonstration der Compton-Streuung in Physikunterricht (PdN 36)
[ 3] Kuhn "Physik Band IIE Quantenphysik" (Westermann)
[ 4] Grehn "Physik" (Metzler)


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