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Comptoneffekt – was ist das?

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Die Autor*innen
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Jakob Köbner
Comptoneffekt – was ist das?
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Grundlagen zum Thema Comptoneffekt – was ist das?

Inhalt

Was ist der Comptoneffekt?

Wir wissen bereits, dass man Licht als einen Strom von Teilchen, den Photonen, beschreiben kann. Einige wichtige Experimente, die die Theorie der Photonen bestätigten, waren die Streuexperimente von Arthur Compton. Dieser entdeckte im Jahr 1922 den nach ihm benannten Comptoneffekt. Was es damit auf sich hat, wollen wir uns im Folgenden genauer anschauen.


Comptoneffekt – Versuch

Arthur Compton führte Streuexperimente mit hochenergetischer Röntgenstrahlung an Grafit durch. Compton beobachtete, dass sich die Wellenlänge des gestreuten Lichts, also seine Energie, je nach Streuwinkel unterschied. Diese Beobachtung stand im Widerspruch zur Beschreibung des Lichts als elektromagnetische Welle, da das gestreute Licht in diesem Fall die gleiche Wellenlänge wie das einfallende Licht haben müsste. Das Elektron würde durch das Licht zu Schwingungen angeregt werden und in der Frequenz des einfallenden Lichts schwingen. Dementsprechend müsste es auch Licht mit genau dieser Frequenz emittieren. Aus derselben Frequenz ergäbe sich dann wiederum dieselbe Wellenlänge. Das Experiment konnte viel besser unter der Annahme erklärt werden, dass nicht Welle und Teilchen, sondern zwei Teilchen miteinander stoßen.


Comptoneffekt – Erklärung

Fasst man das Licht als Photonen, also Teilchen, auf, kann der Comptoneffekt wie folgt erklärt werden. Ein Photon der Wellenlänge $\lambda$ trifft auf ein freies Elektron. Beide Teilchen stoßen elastisch miteinander, wobei das Photon einen Teil seiner Energie an das Elektron abgibt. Das Photon hat nach dem Stoß eine geringere Energie als vorher, also eine größere Wellenlänge $\lambda^{\prime} = \lambda + \Delta \lambda$. Das Elektron wiederum hat nach dem Stoß eine höhere kinetische Energie als zuvor.

Compton-Effekt Physik

Wie groß der Energieübertrag vom Photon auf das Elektron ist, hängt vom Streuwinkel ab. Für die Änderung $\Delta \lambda$ der Wellenlänge nach dem Comptoneffekt gilt die Formel:

$\Delta \lambda = \lambda_c (1 - \cos(\phi)) $

Dabei ist $\phi$ der Winkel, unter dem das Photon gestreut wird. $\lambda_c$ ist eine für das streuende Teilchen spezifische Größe, die Comptonwellenlänge heißt. Sie gibt für das jeweilige Teilchen an, wie stark sich die Wellenlänge bei einer Streuung im rechten Winkel ändert. Dann ist der Cosinus nämlich null und $\Delta \lambda$ entspricht $\lambda_c$.


Wann tritt der Fotoeffekt auf und wann tritt der Comptoneffekt auf?

Der Comptoneffekt tritt nur bei freien oder quasifreien Elektronen auf. Von quasifrei spricht man bei Elektronen, die zwar gebunden sind, aber mit so hochenergetischer Strahlung bestrahlt werden, dass die Bindungsenergie vernachlässigt werden kann. Die Energie der Strahlung bei Comptons Messungen an Grafit war so hoch, dass die Elektronen der Grafitatome, an denen sie gestreut wurden, als quasifreie Elektronen betrachtet werden konnten. Andernfalls hätte er den Effekt gar nicht beobachten können.

Der Fotoeffekt kann hingegen nur bei gebundenen Elektronen auftreten.


Was beweist der Comptoneffekt?

In der Beschreibung des Versuchs, den Arthur Compton 1922 durchgeführt hat, haben wir schon festgehalten, dass sich die Ergebnisse nicht mit einem Elektron mit Teilchencharakter und der Annahme von Licht als elektromagnetischer Welle vereinbaren lassen.

Wenn wir im Gegensatz dazu annehmen, dass Licht aus Photonen besteht, und den Vorgang als elastischen Stoß zweier Teilchen beschreiben, stimmen Theorie und Experiment überein.

Der Comptoneffekt kann allerdings auch unter einer anderen Annahme erklärt werden. Wenn wir das Licht weiterhin als elektromagnetische Welle beschreiben, aber auch den Elektronen Welleneigenschaften zuschreiben, können wir das Experiment ebenso korrekt beschreiben.

Der Comptoneffekt kann also zweierlei Dinge bestätigen:

  • Licht hat sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften.
  • Elektronen haben sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften.

Diese erstaunliche Erkenntnis wird in der Physik Welle-Teilchen-Dualismus genannt und spielt insbesondere in der Quantenphysik eine wichtige Rolle.

Comptoneffekt – Zusammenfassung

Die wichtigsten Erkenntnisse zum Comptoneffekt fassen wir noch einmal stichpunktartig zusammen:

  • Als Comptoneffekt bezeichnet man die Streuung von Licht an einem geladenen Teilchen, wobei die Wellenlänge des Lichts zunimmt.
  • Der Effekt wurde 1922 von Arthur Compton entdeckt.
  • Der Comptoneffekt bestätigte die Theorie, dass Licht auch Teilcheneigenschaften hat und Elektronen Welleneigenschaften zugeschrieben werden können.

Über das Video Comptoneffekt - was ist das?

In diesem Video wird dir erklärt, was der Comptoneffekt ist und welche Beobachtungen zu seiner Entdeckung führten. Du erfährst außerdem, welche Bedeutung er für die Physik hat. Text und Video werden durch interaktive Aufgaben ergänzt.

Transkript Comptoneffekt – was ist das?

Hallo und herzlich willkommen zu Physik mit Kalle! Wir marschieren munter weiter durch die Welt der Atomphysik und wollen uns heute mal den Compton-Effekt genauer ansehen. So, und auf geht's! Wir lernen heute: was der Compton-Effekt eigentlich ist, wer ihn entdeckt hat, was dabei genau passiert und warum dieser Effekt so interessant bzw. wichtig ist. So, was ist er denn nun, der Compton-Effekt? Eine kurze Erklärung wäre zum Beispiel folgende: Als Compton-Effekt bezeichnet man den Energieverlust eines Photons, das an einem Elektron oder einem anderen geladenen Teilchen gestreut wird. Streng genommen kann ein Photon hier übrigens auch Energie gewinnen, dieser Effekt wird allerdings als inverse Compton-Streuung bezeichnet. Auch wenn sich das jetzt nicht ganz so spektakulär anhört, die Entdeckung des Compton-Effekts war eine kleine wissenschaftliche Sensation. Ihr Entdecker bekam immerhin auch den Nobelpreis dafür. Wie so oft verrät es auch hier schon der Name: Der Compton-Effekt wurde 1922 von Arthur Compton entdeckt. Er beschoss Grafit mit hochenergetischer Röntgenstrahlung und stellte dabei fest, dass nicht nur verschiedene Streuwinkel auftraten, sondern sich auch die Wellenlänge, also die Energie der Photonen, um verschiedene Beträge verändert hatte. Wollen wir uns einmal ansehen, wie das Ganze ungefähr aussehen könnte: Links seht ihr ein Elektron. Wenn nun ein Photon mit genügend hoher Energie auf unser Elektron trifft, dann kann es seine Richtung um einen Winkel Phi ändern, dabei einen bestimmten Energiebetrag an das Elektron abgeben, der vom Winkel abhängt, und beide fliegen fröhlich weiter. Wenn ihr euch an die Mechanik erinnert - das ist eigentlich genau das Gleiche, wie ein elastischer Stoß. So, zum Schluss kommen wir zur vielleicht wichtigsten Frage: Warum ist das Ganze eigentlich so interessant? Das liegt daran, dass der Compton-Effekt mit der klassischen Vorstellung eines Teilchens oder einer Welle nicht erklärt werden kann. Damals war man überzeugt, dass eine Welle, die auf ein Teilchen wie ein Elektron trifft, dieses Teilchen zwar in Schwingungen versetzen kann, wodurch das Teilchen die Welle wieder aussendet, aber auf keinen Fall hätte das Teilchen die Energie verändern können. Und das ist genau das Interessante am Compton-Effekt. Er war einer der ersten Beweise, dass das Photon auch Teilcheneigenschaften bzw. das Elektron auch Welleneigenschaften haben muss. Damit war der Compton-Effekt ein großer Schritt zu einem der wichtigsten Erklärungsansätze der Quantenmechanik, nämlich dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser besagt, dass jedes quantenmechanische Objekt sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat. Aber zerbrecht euch nicht den Kopf, was das zu bedeuten hat. Damit müsst ihr euch erst auseinandersetzen, wenn ihr die Quantenphysik durchnehmt. So, dann wollen wir noch einmal zusammenfassen, was wir heute gelernt haben: Compton-Effekt nennt man die Energieänderung eines Photons, das an einem Elektron oder einem anderen geladenen Teilchen gestreut wird. Entdeckt wurde der Compton-Effekt 1922 von Arthur Compton. Die Energieänderung der gestreuten Photonen hängt vom Streuwinkel Phi ab. Der Compton-Effekt war einer der ersten Beweise, dass das Photon Teilcheneigenschaften bzw. das Elektron Welleneigenschaften haben muss. Damit war er ein wichtiger Schritt zum Welle-Teilchen Dualismus. So, das war's schon wieder für heute. Ich hoffe, ich konnte euch helfen. Vielen Dank fürs Zuschauen, vielleicht bis zum nächsten Mal. Euer Kalle!

4 Kommentare

4 Kommentare
  1. Fehler bei 0:39
    Energieverlust eines Photons, das...

    Von Maximilian Bernhardt, vor fast 7 Jahren
  2. war hammer KALLE

    Von Jobe1505, vor fast 7 Jahren
  3. stimmt, das Video ist soweit wirklich gut aber ein langsameres Sprechtempo wäre von Vorteil :-)

    Von Tobias Drube, vor fast 8 Jahren
  4. nicht schlecht aber m,einer meinung nach einen kleinen tick zu schnell gesprochen. versuch lieber langsamer zu sprechen, damit die zuhörer auch mitkommen. =D

    Von Hdsp4, vor fast 10 Jahren

Comptoneffekt – was ist das? Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Comptoneffekt – was ist das? kannst du es wiederholen und üben.
  • Gib den Compton-Effekt an.

    Tipps

    Compton hat nachgewiesen, dass Photonen auch Teilchen- oder das Elektron Welleneigenschaften haben müssen.

    Lösung

    Der Compton-Effekt beschreibt den Energieverlust eines Photons, dass an einem Elektron oder einem anderen geladenen Teilchen gestreut wird.

    Dabei trifft das Photon auf ein Teilchen, ändert seine Richtung um einen Winkel $\phi$ und gibt dabei einen Teil seiner Energie an das Teilchen ab.

    Mithilfe der Beobachtungen von Arthur Compton wurde nachgewiesen, dass Photonen auch Teilchen- oder das Elektronen auch Welleneigenschaften haben müssen.

  • Gib an, was beim Compton-Effekt passiert.

    Tipps

    Jedes quantenmechanische Objekt besitzt sowohl Teilchen als auch Welleneigenschaften.

    Vergleiche den Compton-Effekt mit dem elastischen Stoß.

    Lösung

    Ein Photon trifft auf ein Elektron.

    Dabei ändert dieses seine Richtung um einen bestimmten Winkel $\phi$ und gibt einen Teil seiner Energie abhängig von $\phi$ an das Elektron ab. Es handelt sich also um eine Form des elastischen Stoßes.

    Damit das bewegte Photon überhaupt mechanische Energie mit einem Elektron austauschen kann, muss dieses kinetische Energie besessen haben.

    Da die kinetische Energie abhängig von der Masse ist ($E_kin = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$), kann die Masse des Photons nicht $0$ sein.

    Damit war klar, dass entweder das Photon Eigenschaften eines Teilchens oder das Elektron Welleneigenschaften haben musste.

    Dieser Ansatz wird als der Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet.

  • Vergleiche den Compton-Effekt mit dem elastischen Stoß.

    Tipps

    Bei einem Stoß wird Energie ausgetauscht.

    $E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$ ist für eine Masse $m = 0$ ebenfalls $E_{kin} = 0 $.

    Lösung

    Sowohl beim elastischen Stoß als auch beim Compton-Effekt tritt ein Stoß zwischen zwei Teilchen auf.

    Betrachten wir zunächst einen elastischen Stoß wie in der Abbildung.

    Hier trifft eine bewegt Kugel der Masse $m_1$ auf eine ruhende Kugel der Masse $m_2$. Zum Zeitpunkt des Stoßes wird die kinetische Energie ($E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$) in Abhängigkeit des Stoßwinkels abgegeben. Dadurch wird die Kugel $2$ beschleunigt. Sie gewinnt also an Energie. Die Kugel $1$ muss aus Gründen der Energieerhaltung ihren Energiebetrag verändern (in diesem Fall verringern).

    Ersetzen wir nun die Kugel $1$ mit einem Photon und die Kugel $2$ mit einem Elektron, so tritt derselbe Effekt auf. Das bewegte Photon tauscht Energie mit dem Elektron aus. Da ein Photon Bestandteil einer Lichtwelle ist, der man bis zu dieser Entdeckung keine Masse und damit keine kinetische Energie zuordnete, musste man die Eigenschaften des Lichtes als reine Welle überdenken. Ganz offenbar hat das Licht auch Eigenschaften eines Teilchen (mit einer Masse, wie Kugel $1$).

    Für die Beobachtung dieses Effektes erhielt Arthur Compton den Nobelpreis.

  • Analysiere die Bedeutung der Entdeckung des Compton-Effekts.

    Tipps

    Nach Entdeckung des Compton-Effektes musste man neue Erklärungen für die Eigenschaften von Wellen und Teilchen finden.

    Ein Stoß mit einem Teilchen erfordert kinetische Energie.

    Vor Comptons Entdeckung glaubte man, Photonen hätten keine Teilcheneigenschaften,

    Lösung

    Der 1922 entdeckte Compton-Effekt konnte mit der klassischen Wellen- und Teilchenvorstellung nicht erklärt werden.

    Aufgrund der Beobachtungen wurde nachgewiesen, dass entweder das Photon auch Teilchen- oder das Elektron auch Welleneigenschaften haben muss:

    Compton hatte beobachtet, dass ein Photon kinetische Energie beim Stoß mit einem Elektron austauscht. Da für die kinetische Energie $E_{kin} = \frac{1}{2} \cdot m \cdot v^2$ gilt, muss das Photon eine Masse und damit Eigenschaften eines Teilchens aufweisen.

    Die klassischen Ansätze waren damit widerlegt und es musste eine neue Erklärung für das Verhalten der Photonen entwickelt werden. Bisher hatte man geglaubt, Photonen hätten keine Teilcheneigenschaften.

    Den heutigen Ansatz aus dem Bereich der Quantenmechanik nennt man Welle-Teilchen-Dualismus.

    Nach diesem muss jedes quantenmechanische Objekt sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften haben .

  • Gib an, was der inverse Compton-Effekt ist.

    Tipps

    Invers bedeutet umgekehrt.

    Bei einem elastischen Stoß kann eine Kugel entweder Energie abgeben oder Energie gewinnen.

    Lösung

    Der inverse Compton-Effekt beschreibt das Phänomen, dass ein Photon, das auf ein geladenes Teilchen gestoßen ist, dadurch Energie gewinnen kann.

    Der inverse Compton-Effekt ist die Umkehrung des Compton-Effektes.

    Dabei stößt ein Photon auf ein Elektron, wodurch dieses keine Energie verliert, sondern Energie gewinnt.

    Genauso wie eine Kugel durch einen elastischen Stoß entweder Energie abgeben oder welche gewinnen kann.

  • Zeige die klassischen Postulate.

    Tipps

    Heute gilt der Welle-Teilchen-Dualismus.

    Die klassische Physik kennt den Welle-Teilchen-Dualismus nicht.

    Compton erreichte einen Paradigmenwechsel in der Physik.

    Lösung

    In der klassischen Wellen- und Teilchenphysik, also vor der Entdeckung Compton's und des Welle-Teilchen-Dualismus, ordnete man den Wellen und Teilchen sehr verschiedene Eigenschaften zu.

    Die Wellen wurden charakterisiert als masselose Schwingungen, die sich in Zeit und Raum ausbreiten. Dabei transportieren Wellen nach der klassischen Vorstellung zwar Energie, aber keine Materie. Ein Beispiel für eine Welle ist etwa das Licht oder ein akustisches Tonsignal.

    Im Bereich der klassischen Teilchenphysik ging man davon aus, dass Teilchen aus Materie bestehen, eine Masse haben und somit mechanische Energie tragen müssen.

    Durch die Entdeckung von Compton erfolgte ein Paradigmenwechsel in der Physik. Denn er stellte fest, dass sich die Eigenschaften von Wellen und Teilchen teilweise überschneiden und diese nicht in zwei getrennten Teilbereichen der Physik erfassbar waren.

    Damit begründete er das heute noch bestehende Postulat des Welle-Teilchen-Dualismus.

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