\documentclass[slug=CS, room=Andreas-Schubert-Bau\,\ Labor\ 406, supervisor=Juliane\ Volkmer, coursedate=29.\ 11.\ 2019]{../../Lab_Report_LaTeX/lab_report} \title{Comptonstreuung} \author{Oliver Matthes, Valentin Boettcher} \usepackage[version=4]{mhchem} \usepackage{todonotes} \graphicspath{ {figs/} } \newcommand{\cs}{\emph{Comptonstreuung }} \usepackage{circuitikz} \usepackage{subcaption} \usepackage{ amssymb } \usepackage{tabularx} \usepackage{pgf} \sisetup{math-celsius = {}^{\circ}\kern-\scriptspace C} \usepackage[ngerman]{babel} % bib \addbibresource{protokoll.bib} \begin{document} \maketitle \section{Einleitung} \label{sec:einl} \cs ist in einem Energiebereich von hundert Kiloelektronenvolt bis hin zu wenigen Megaelektronenvolt der Wechselwirkungsprozess zwischen Photonen und Materie, der am wahrscheinlichsten auftritt und deswegen in vielen physikalischen Bereichen beachtet werden muss. Neben \cs gibt es natürlich auch noch andere Wechselwirkungsprozesse wie der Photoeffekt, der vor allem bei geringen Photonenenergien auftritt oder die Paarbildung bei der man Energien von mindestens zwei Elektronenmassen braucht, um ein Elektron-Positron-Paar zu erzeugen. Diese Prozesse werden in diesem Versuch allerdings nicht betrachtet.\\ Um Aussagen über die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon mit einem Elektron wechselwirkt, treffen zu können, definiert man den Wirkungsquerschnitt: \begin{equation}\label{eq:wirkquer} \sigma = \frac{N}{\Phi} \end{equation} \begin{tabular}{llll} & \(N\) & ... & mittlere Wechselwirkungsanzahl eines Teilchens mit einem atomaren Target \\ & \(\Phi\) & ... & Teilchenfluenz, dem das Target ausgesetzt ist \end{tabular}\\ Der Wechselwirkungsquerschnitt der inkohärenten Streuung und damit des Comptoneffekts ist proportional zur Ordnungszahl des Atoms (\(\sigma_i \propto\) Z).\\ \subsection{Inkohärente Streuung} \label{sec:inkostreu} Wichtig, um \cs beschreiben zu können, ist der Prozess der \emph{inkohärenten Streuung}. Dabei überträgt das Photon bei der Wechselwirkung mit einem an einem Atomkern gebundenen Elektron einen Teil seiner Energie auf dieses, so dass es den gebundenen Zustand verlassen kann. Vernachlässigt man bei diesem Prozess die Bindungsenergie des Elektrons, nennt man diesen \cs, da Arthur Holly Compton 1922 diese Annahme traf, um diesen Effekt zu beschreiben.\\ \subsubsection{Comptonstreuung} \label{sec:cs} Um \cs zu beschreiben, geht man, wie oben schon erwähnt, von quasi freien Elektronen aus. Diese Annahme trifft besonders gut auf Metalle zu (im Experiment werden wir mit einem Aluminiumtarget arbeiten). Wird ein Photon an einem Elektron gestreut, ändert sich seine Energie sowie seine Bewegungsrichtung um einen polaren Streuwinkel \(\vartheta\). Nutzt man den Energie- und den Impulserhaltungssatz aus und setzt den Photonenimpuls \(p = E/c\) ein, so erhält man einen Ausdruck für die Energie des Wechselwirkungsphotons nach der Interaktion: \begin{gather} E(\mu) = \frac{E'}{1 + \kappa(1 - \mu)} \label{eq:photoenergie}\\ \kappa = \frac{E'}{m_0c^2}\\ \mu = \cos\vartheta \end{gather} \begin{tabular}{llll} & \(E'\) & ... & Photonenenergie vor dem Stoß \end{tabular}\\ Die Ruheenergie des Elektrons beträgt: \begin{equation}\label{key} E_{e^-} = m_0c^2 = \SI{511}{\kilo\electronvolt} \end{equation}\\ Die maximal mögliche Energie, die ein Photon nach der Streuung haben kann, ist also dessen Ausgangsenergie. Bei einem Streuwinkel von \(\vartheta = 0^\circ\) (Vorwärtsstreuung) folgt \(\mu \rightarrow 1 \implies E(\mu) \rightarrow E'\). Die Minimalenergie wird bei \(\mu = -1\), also bei \(\vartheta = 180^\circ\), erreicht, da hier gilt: \begin{equation}\label{eq:emax} E(\mu) = \frac{E'}{1 + 2\kappa} \end{equation} Je größer der polare Streuwinkel \(\vartheta\) des Photons ist, desto mehr Energie wird beim Stoß an das Elektron übertragen. Je größer außerdem die Ausgangsenergie des Photons, desto größer ist der Energieverlust bei der Streuung und desto höher ist zudem die Winkelabhängigkeit des Energieverlustes (vgl.~\ref{fig:evontheta}).\\ \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=.5\columnwidth]{./pictures/evontheta.png} \caption{Abhängigkeit der Energien vor und nach dem Stoß \(E'\) und \(E\) vom Streuwinkel \(\vartheta\).} \label{fig:evontheta} \end{figure} Um eine Aussage zur Wahrscheinlichkeit zu treffen, mit der ein Photon in einem Raumwinkelelement \(d\Omega = \sin\vartheta d\vartheta d\phi\) gestreut wird, haben \textsc{O. Klein} und \textsc{Y. Nishina} 1929 einen analytischen Ausdruck für den differentiellen Wirkungsquerschnitt hergeleitet: \begin{equation}\label{eq:kn} \sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu) = \frac{d\sigma}{d\Omega} = \frac{r_e^2}{2} \cdot \qty(\frac{1}{1 + \kappa(1 - \mu)})^2 \cdot \qty(\kappa(1 - \mu) + \frac{1}{1 + \kappa(1 - \mu)} + \mu^2) \end{equation} Mit \(r_e = \SI{2,818e-15}{\metre}\) als klassischen Elektronenradius.\\ Für \(\mu = 1\), also Vorwärtsstreuung folgt: \begin{equation}\label{key} \sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu = 1) = r_e^2 = \SI{79,4}{\milli\barn} \end{equation} \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=.5\columnwidth]{./pictures/sigma_kn.png} \caption{\(\sigma^{\text{KN}}_\Omega(\mu)\) für verschiedene \(E'\).} \label{fig:sigmakn} \end{figure} \subsubsection{Korrektur für inkohärente Streuung} \label{sec:cskorrektur} Wenn man die Bindungsenergie der Elektronen nicht vernachlässigt, multipliziert man zur Korrektur des differentiellen Wirkungsquerschnitts an die \textsc{Klein}-\textsc{Nishina}-Formel eine inkohärente Streufunktion \(S(E', \mu, Z)\) dran: \begin{equation}\label{eq:knkorrektur} \sigma^{i}_\Omega(E', \mu, Z) = \sigma^{\text{KN}}_\Omega(E', Z) \cdot S(E', \mu, Z) \end{equation} Es gilt, dass \(\sigma^{i}_\Omega < \sigma^{\text{KN}}_\Omega\). Insbesondere geht \(\sigma^{i}_\Omega\) bei \(\vartheta \rightarrow 0\) ebenfalls gegen Null, was man damit erklären kann, dass bei \(\vartheta \rightarrow 0\) die vom Photon auf das Elektron übertragene Energie gegen Null konvergiert, sodass diese irgendwann die Elektronenbindungsenergie unterschreitet, das Elektron also auch nach der Interaktion mit dem Photon gebunden bleibt und somit keine inkohärente Streuung mehr vorliegt (vgl.~\ref{fig:sigmaknkorrigiert}). \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=.5\columnwidth]{./pictures/sigma_kn_korrigiert.png} \caption{Gegenüberstellung von \(\sigma^{i}_\Omega\) und \(\sigma^{\text{KN}}_\Omega\) für Aluminium und verschiedene \(E'\).} \label{fig:sigmaknkorrigiert} \end{figure} \section{Durchführung und Auswertung} \label{sec:experiment} Der Versuchsaufbau war wie in der Versuchsanleitung beschrieben, nur zeigte die Strahlrichtung stets gen Wand. Außerdem wurde ein Szintillationsdetektor statt, wie in~\ref{fig:versuchsaufbau} zu sehen, eines Halbleiterdetektors verwendet. \begin{figure}[H]\centering \includegraphics[width=.7\columnwidth]{./pictures/versuchsaufbau.png} \caption{Ähnlicher Versuchsaufbau, da ein ähnlich aussehender Szintillationsdetektor anstelle des hier abgebildeten Halbleiterdetektors (4) verwendet wurde.} \label{fig:versuchsaufbau} \end{figure} Der in~\ref{fig:versuchsaufbau} dargestellte Versuchsaufbau bestand aus folgenden Komponenten: (1) Halterung für die kollimierte \(^{241}\)Am-Probe, dessen Abstand zum Aluminiumprobenstab (3) variiert und mit Hilfe eines angebrachten Maßstabes zu \(\approx \SI{2}{\milli\metre}\) Genauigkeit abgelesen werden konnte. Der Abstand wurde an der unteren rechten Seite (roter Strich in~\ref{fig:versuchsaufbau}) abgelesen. Der Streuwinkel konnte variiert und mittels eines Goniometers (2), das aller \(5^\circ\) einen Strich hatte, auf \(\approx 2^\circ\) genau eingestellt werden. In den Probenhalter (5) wurden für die Kalibrierung des Detektors drei verschiedene Probenscheiben in die zum Detektor zeigende Seite eingesetzt und dieser so nah wie möglich an den Detektor herangeschoben, um für eine, am Anfang auf \(\SI{20}{\min}\) festgesetzte, Messzeit, möglichst viele Ereignisse zu zählen. \subsection{Kalibrierung des Detektors} \label{sec:kalib} Für die Detektorkalibrierung wurden drei verschiedene Probenscheiben aus \(^{137}\)Cs, \(^{133}\)Ba und \(^{152}\)Eu sowie die eigentliche \(^{241}\)Am-Probe verwendet. \section{Verzeichnisse} \label{sec:literatur} \listoffigures \listoftables \printbibliography \end{document}