Streuen mit Licht und Teilchen

BLOG: Quantenwelt

Gedanken eines Experimentalphysikers
Quantenwelt

Streuexperimente gehören zu den wichtigsten Methoden der grundlegenden Physik. Das Prinzip ist immer ähnlich: Eine zu untersuchende Probe wird klar definiert bestrahlt und die Verteilung der durchtretenden Strahlung in Raum und Energie wird aufgenommen und ausgewertet. Hier möchte ich auf die unterschiedlichen Strahlungen eingehen, die bei Streuexperimenten zum Einsatz kommen. Wann verwenden wir Röntgenstrahlung, wann Elektronen und warum verwenden wir manchmal Neutronen?

Aus Streuung lernen wir einiges über die Probe. Ich habe in meinem Artikel zur Fouriertransformation schon ausgeführt, dass Abbildungen, die wir mit den Augen sehen, letztlich nichts anderes als Streuexperimente sind. Objekte Reflektieren das Licht der Deckenlampe oder des Himmels nicht gleichmäßig. Sie streuen es kohärent in Richtungen, die die Formen und Farben der Objekte kodieren. Die Linse des Auges führt die Lichtstrahlung dann kohärent so zusammen, dass auf der Netzhaut ein Bild einer bestimmten Ebene der Realität entsteht.

Am European XFEL werden wir Röntgenstrahlung für Beugungsexperimente benutzen und dabei bildgebende Experimente, Kristallographie und auch Spektroskopie betreiben. Im Unterschied zur optischen Wahrnehmung mit Licht, wird es aber keine Linsen geben, die das Bild direkt auf dem Detektor rekonstruiert. Der Detektor wird direkt das Streubild aufnehmen und Computer werden das reale Bild rekonstruieren. Die Wellenlänge unseres Röntgenlasers liegt im Bereich von Atomabständen, so dass einzelne Atome aufgelöst werden können.

Röntgenstrahlung funktioniert wie Licht: Sie trägt selbst keine Ladung und ist eine Welle eines elektrischen Feldes, das abwechselnd in die eine und andere Richtung zeigt. Während aber Licht so langsam die Richtung wechselt, dass die Atome mit seinen Wellen mitschwingen, ist Röntgenstrahlung eigentlich zu schnell für die Materie. Sie kann der Röntgenschwingung nicht folgen sondern reagiert verzögert und relativ schwach. Daher kommt es, dass Materie für Röntgenstrahlen beinahe transparent ist. Relativ dicke Schichten können durchleuchtet werden, aber man braucht große Objekte oder hohe Intensität.

Das ist bei Elektronen anders. Diese sind selbst geladen,und werden daher von den Elekronenwolken der Atome direkt abgelenkt. So entsteht starke Elektronenbeugung. Materie ist für Elektronen alles andere als Transparent und man braucht schon recht dünne Objekte, damit nicht alle Elektronen mehrfach wechselwirken oder gar nicht mehr durch kommen. Ich war Ende Mai zu Gast im Institut für Neurowissenschaft des CNR1 in Pisa. Dort betreiben sie ein umgebautes Elektronenmikroskop mit dem Elektronenbeugung an Kristallen durchgeführt werden kann, die so klein sind, dass man sie unter einem Mikroskop nicht erkennen kann. Der Nachweis, dass sich in der Probe überhaupt Kristalle befinden, ist nur durch die sehr intensive Beugung von Elektronen möglich.

Elektronen und Röntgenstrahlen haben eine entscheidende Gemeinsamkeit: Sie “sehen” die Elektronenhülle. Um direkt die Atomkerne zu untersuchen, braucht es Strahlung, die die Elektronenwolken durchdringt. Strahlung die nicht geladen ist, wie die Elektronen, und auch nicht darauf angewiesen ist, elektrische Schwingungen anzuregen, wie Röntgenstrahlung.

Sie erraten es schon, ich kann nur Neutronen- oder Neutrinostrahlung meinen. Neutrinos sind toll. Sie wechselwirken nur über schwache Wechselwirkung, die Quarks und Elektronen betrifft. Ein Neutrinostrahl würde also sowohl an den Elektronen als auch an den Kernen streuen und interessante Bilder liefern. Leider macht die schwache Wechselwirkung ihrem Namen alle Ehre. Sie ist viel zu schwach, um mikroskopische Informationen aus ihr zu gewinnen. Bergmassive oder das innere der Erde kann man mit ihnen studieren, aber keine kleinen oder mittelgroßen Objekte.

Neutonen dagegen bestehen aus derselben Art von Materie wie die Atomkerne. Sie bestehen aus geladenen Quarks, aber ihre Nettoladung ist ausgeglichen. So sind sie elektrisch neutral und wechselwirken kaum mit den Elektronen in Materie. Neutronenstrahlung eignet sich damit gut dafür, die Positionen der Atomkerne selbst zu erkennen. Größere Objekte im Bereich von Zentimetern sind für Neutronenstrahlung transparent genug, um Streuung zu zeigen.

Neutronenstrahlung wird in Forschungsreaktoren erzeugt, Kernreaktoren, die nicht für Energiegewinnung sondern für die Produktion von Neutronen im richtigen Energiebereich optimiert werden. In Lund (Schweden) ist zur Zeit die European Spallation Source (ESS) in Bau. Dort werden Neutronen mit Hilfe eines Protonen-Beschleunigers erzeugt werden.

Streuexperimente finden mit Elektronen, Neutronen und Photonen statt. Unter uns Forschern, die wir solche Experimente machen, gibt es eine gewisse Konkurrenz. Wer macht es am besten? Doch letztlich kommt es auf die Probe an, welche Beugung geeignet ist. Die Elektronenschale sehen Elektronen und Photonen, die Kerne nur Neutronen. Elektronen eignen sich vor allem für sehr dünne Objekte, Neutronen und Photonen durchdringen Materie besser und richten letztlich im Untersuchungsobjekt geringere Schäden an.

Anmerkungen:
1. Consiglio Nazionale delle Ricerche
Joachim Schulz

Veröffentlicht von

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Joachim Schulz ist Gruppenleiter für Probenumgebung an der European XFEL GmbH in Schenefeld bei Hamburg. Seine wissenschaftliche Laufbahn begann in der Quantenoptik, in der er die Wechselwirkung einzelner Atome mit Laserfeldern untersucht hat. Sie führte ihn unter anderem zur Atomphysik mit Synchrotronstrahlung und Clusterphysik mit Freie-Elektronen Lasern. Vier Jahre hat er am Centre for Free-Electron Laser Science (CFEL) in Hamburg Experimente zur kohärenten Röntgenbeugung an Biomolekülen geplant, aufgebaut und durchgeführt. In seiner Freizeit schreibt er zum Beispiel hier im Blog oder an seiner Homepage "Joachims Quantenwelt".

2 Kommentare

  1. Neutronen-Imaging scheint selten genutzt zu werden und hat den Status einer exotischen Technik noch nicht verlassen obwohl Neutronen-Imaging ganz neue Abbildungsmöglichkeiten eröffnet. Anders als bei der Röntgendurchstrahlung sind beim Neutronen-Imaging schwere Metalle wie Eisen, Titan fast durchsichtig, während Materialen mit viel Wasserstoff, Bor oder Lithium die Neutronen viel stärker absorbieren. Das erkennt man gut beim Vergleich einer Durchstrahlungsaufnahme einer Photokamera mit Metallgehäuse einmal mit Röntgenstrahlen, einmal mit Neutronenstrahlen.In der Röntgenradiographie bewirkt das Metallgehäuse der abgebildeten Kamera, dass man nur einen grossen schwarzen Fleck als Abbildung erhält, während man in der Neutronenradiographie die Details im Innern der Kamera erkennt.

    • Oh, vielen Dank. Das ist allerdings kein Streuexperiment, sondern Absorption ähnlich der medizinischen Durchleuchtung mit Röntgenstrahlung. Es ist aber ein schönes Thema für einen eigenen Beitrag.

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