Über die Streuung von Strahlung durch Atome

Hans Kerschbaum

Torsten Fließbach

Im Feld einer elektromagnetischen Welle schwingt ein geladenes Teilchen hin und her. Das so oszillierende Teilchen sendet dann elektromagnetische Strahlung aus. Durch diesen Prozess wird die elektromagnetische Welle gestreut. Wir berechnen den Wirkungsquerschnitt für die Streuung von Licht an Atomen (Abbildung 25.1). Wir behandeln die Thomsonstreuung, die Rayleighstreuung, die Resonanzfluoreszenz und den Übergang zwischen kohärenter und inkohärenter Streuung.

Victor F. Weisskopf

Udo Scherz

ZusammenfassungDie Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung ist durch Interferenz- und Beugungsexperimente gut bekannt. Auch außerhalb des optischen Bereiches wurde z.B. die Beugung von Röntgenstrahlen durch Max von Laue mit Hilfe von Kristallen nachgewiesen. Andererseits lassen sich einige Beobachtungen nur mit einer Teilchennatur der elektromagnetischen Strahlung erklären. Dazu gehören neben der Frequenzabhängigkeit der Temperaturstrahlung nach dem Planckschen Strahlungsgesetz vor allem der lichtelektrische Effekt. Dabei zeigt sich, daß die Energie der aus einem Metall austretenden Elektronen nur von der Frequenz und nicht von der Intensität des Lichtstrahles abhängt. Auch die beim Compton-Effekt beobachtete inelastische Streuung von Röntgenstrahlen durch gebundene Elektronen eines Festkörpers kann nicht mit der Wellennatur der elektromagnetischen Strahlung erklärt werden, weil dabei ein Licht quant Energie und Impuls auf das Elektron überträgt. Man spricht deshalb von einem Welle-Teilchen-Dualismus der elektromagnetischen Strahlung.

Germaine Arend

Aktueller Forschung zufolge besitzen quantenmechanische Phänomene großes Potential, die moderne Technologie zu verbessern, zum Beispiel über die Erhöhung von Rechengeschwindigkeit und durch sichere Datenverschlüsselung. Die zugrunde liegenden technologischen Fortschritte beruhen auf der effizienten Erzeugung von speziell zugeschnittenen "quantenoptischen Zuständen", die typischerweise durch nichtlineare optische Effekte, oder Licht-Materie Wechselwirkung entstehen. Bemerkenswerterweise soll die direkte Streuung zwischen freien Elektronen und optischen Moden auch als eine Quelle dieser quantenoptischen Strahlung fungieren, bei der die Eigenschaften der generierten Photonen, wie die spektrale Verteilung, die Polarisation und die Zustandsstatistik, durch die Elektronenenergie und die Streugeometrie vorgegeben werden. Diese kumulative Dissertation zeigt die Elektronen-induzierte Generation von nicht-klassischem Licht in einem Transmissionselektronenmikroskop durch direkte Streuung freier Elektronen an der optischen Mode eines Wellenleiters. Durch die Anpassung der Phasengeschwindigkeit der optischen Mode an die Geschwindigkeit der hochenergetischen Elektronen wird deren Interaktionswahrscheinlichkeit verbessert, was zu einer erheblichen Steigerung der Photonenausbeute führt. Die gestreuten Elektronen und erzeugten Photonen werden in Koinzidenz detektiert, wodurch ihre zeitliche und energetische Korrelation zutage tritt und unkorreliertes Rauschen unterdrückt wird. Dies ermöglicht die Demonstration von Elektron-Photon-Paarzuständen und eine ausführliche Analyse des Photonen-Erzeugungsprozesses, die in zwei Artikeln präsentiert werden. Die Kombination der Koinzidenz-Detektion mit einer Post-Selektion von inelastisch gestreuten Elektronen bei einem definierten Energieverlust ermöglicht schließlich die Detektion Elektron-angekündigter Photonenzahl-Zustände, die als quantenoptisch gelten. Darüber hinaus wird die Koinzidenzfilterung detektierter Elektronen und Photonen demonstriert, welche eine rauscharme und kontrastverstärkte Bildgebung optischer Moden ermöglicht. Diese Ergebnisse, welche sich auf Elektronen-Photonen-Streuung auf Einzel-Teilchen Ebene stützen, versprechen effiziente Anwendungen in koinzidenzverbesserter Elektronenmikroskopie und ermöglichen zukünftige Forschung im Bereich der freie-Elektronen-Quantenoptik, wie bespielsweise die vielseitige Photonenzustands-Erzeugung, und die Elektron-Photon Verschränkung.

F. Hoppe‐Seyler