Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015

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1 Photonen in Astronomie und Astrophysik Sommersemester 2015 Dr. Kerstin Sonnabend I. EIGENSCHAFTEN VON PHOTONEN I.1 Photonen als elektro-magnetische Wellen I.3 Wechselwirkung mit Materie I.3.1 Streuprozesse I.3.2 Emissions-/Absorptionsmechanismen 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 1

2 I.1 Photonen als elektro-magn. Wellen Elliptische Polarisation beliebiger Phasenunterschied t = 0 t =! 4 t =! 2 t = 3 4! t =! t = 5 4! t = 3 2! t = 7 4! 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 2

3 I.1 Photonen als elektro-magn. Wellen Elliptische Polarisation beliebiges Amplitudenverhältnis t = 0 t =! 4 t =! 2 t = 3 4! t =! t = 5 4! t = 3 2! t = 7 4! 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 3

4 I.3 Wechselwirkung mit Materie Übersicht verschiedener Prozesse Festkörper Moleküle Atome Atomhülle Elektronen Atomkern elastisch Rayleigh: λ Mie: λ Rayleigh: λ Mie: λ Thomson: Röntgen Compton: γ-strahlung Streuprozesse inelastisch Stokes-Raman Gitterschwingung Stokes-Raman Rotation/Vibration Emissions- bzw. Absorptionsprozess Photoemission Photoleitung Photodissoziation Photoionisation Auger-Effekt Bremsstrahlung Photodesintegration γ-zerfall Paarbildung 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 4

5 I.3.1 Streuprozesse Stokes-Raman-Streuung Sir G.G. Stokes ( ) Sir C.V. Raman ( ): Nobelpreis 1930 virtuelles Energieniveau Anregung eines virtuellen Energieniveaus & Abregung Frequenzbereich: Infrarot ( Hz) Anwendung: Laserkühlung mittels Anti- Stokes-Raman-Streuung Stokes- Raman- Streuung 1. angeregter Zustand Grundzustand Anti- Stokes- Raman- Streuung 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 5

6 I.3.1 Streuprozesse Rayleigh-Streuung Lord Rayleigh, J.W. Strutt ( ) Nobelpreis 1904 mit W. Ramsay: Entdeckung Argon Größe Atom/Molekül λ Frequenzbereich: sichtbar (10 14 Hz) Anwendung / Erklärung: Himmelsblau Mie-Streuung Gustav A.L. Mie ( ) Größe Atom/Molekül λ Frequenzbereich: sichtbar bis nahes Infrarot ( Hz) Anwendung / Erklärung: verstärktes Abendrot virtuelles Energieniveau 1. angeregter Zustand Grundzustand 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 6

7 I.3.1 Streuprozesse Thomson-Streuung Sir J.J. Thomson ( ) Nobelpreis 1906: Entdeckung des e und Elektrizität in Gasen nicht-resonante ( elastische ) Streuung an quasi-freien e klassischer Wirkungsquerschnitt:! Thomson = 8" 3 r 2 e mit klass. e -Radius r e = vernachlässigt: Bindungsenergie von e und Rückstoßübertrag auf e Frequenzbereich: Röntgenstrahlung ( Hz) e 2 # 2.8 fm 2 4!" 0 m e c 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 7

8 I.3.1 Streuprozesse Compton-Streuung A.H. Compton ( ): Nobelpreis 1927 nicht-resonante ( elastische ) Streuung an quasi-freien e Frequenzbereich: γ-strahlung ( Hz) Änderung Wellenlänge:!" = h (1# cos$) 2 m e c Wirkungsquerschnitt: d! d" = #2 2m e $ & % k' k 2 ' $ k ' ) ( k + k k' * ' & sin2 + ) % ( Quelle: wikipedia.de, Comptoneffekt sog. Klein-Nishina-Formel k,k : Impuls vor/nach Streuung α: Feinstrukturkonstante 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 8

9 I.3.2 Emissions-/Absorptionsmechanismen Photoelektrischer Effekt Photoemission / äußerer Photoeffekt: Festkörper: Metall oder Halbleiter e nach Bestrahlung emittiert Theorie: A. Einstein ( ), Nobelpreis 1921 Exp. Bestätigung: R.A. Millikan ( ), Nobelpreis 1923 Quelle: wikipedia.de, Photoelektrischer Effekt Photoleitung bzw. photovoltaischer Effekt / innerer Photoeffekt: Erzeugung ungebundener Elektron-Loch-Paare in Halbleitern erhöhte Leitfähigkeit Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 9

10 I.3.2 Emissions-/Absorptionsmechanismen Auger-Effekt benannt 1926 nach: Pierre V. Auger ( ) entdeckt 1922 von: Lise Meitner ( ) Mechanismus: externe Anregung und Emission von e Energieübertrag ( virtuelles Photon, strahlungslos, Stoß ) von nachrückendem e auf Auger-e Emission Auger-e April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 10

11 I.3.2 Emissions-/Absorptionsmechanismen Photodissoziation Aufbruch molekularer Bindungen: E Photon > E Bindung Frequenzbereich: Mikrowellen ( Hz) Photoionisation Ionisation von Atomen: E Photon > E Ionisation Frequenzbereich: ultraviolett bis Röntgen ( Hz) Photodesintegration Teilchenemission aus Atomkern: E Photon > E Separation E Separation typischerweise einige MeV für n, p und α-teilchen Frequenzbereich: γ-strahlung (>10 22 Hz) 21. April 2015 Photonen in Astronomie und Astrophysik Kerstin Sonnabend 11

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