1

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Elektron

Atom

Elastische Elektronenstreuung

Elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem beschleunigten Elektron und den Elektronen im Atom

Keine Änderung der Energie des gestreuten Elektrons

Elektronenbeugung

2

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Bremsstrahlung

Verlust der Energie der beschleunigten Elektronen

Emission der „kontinuierlichen„ Röntgenstrahlung

hmax = Ekin = eU

3

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Charakteristische Strahlung

Anregung der inneren Elektronen durch das beschleunigte Elektron

Die „geladene“ Energie wird demnächst in Form des Röntgenquantums ausgestrahlt

4

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Charakteristische Röntgenstrahlung

Moseley:

eV6,133

1

2

14,7

2

1

1

11

222

222

R

ZR

ZR

L

K

Z … Ordnungszahl

5

Charakteristische Röntgenstrahlung

• Strahlung (elektromagnetische Welle) mit einer definierten Wellenlänge für Röntgenbeugungs-experimente

• Chemische Analyse mittels Röntgenfluoreszenz – Bestimmung der chemischen Zusammensetzung aus der Wellenlänge und Intensität der charakteristischen Röntgenstrahlung

6

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Emission der Auger-Elektronen

Ionisation des Atoms durch die Energie des beschleunigten Elektrons

Emission eines Photons

Erneute Ionisation des Atoms durch die Energie des Photons

7

Wechselwirkung Elektron – Festkörper

Elastische Elektronenstreuung Emission von Bremsstrahlung Emission der charakteristischen

Röntgenstrahlung Emission von Auger-Elektronen

Zusammenfassung

8

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Elastische Streuung der Photonen

Elektromagnetische Wechselwirkung zwischen dem Photon und den Elektronen im Atom

Keine Änderung der Energie (und der Wellenlänge) des gestreuten Photons

Röntgenbeugung und Röntgenstreuung

Thomson-Streuung

PhotonAtom

h h

9

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Photon Elektron

Gestreutes Photon

Gestreutes Elektron

Compton-Streuung

Nichtelastische Streuung der Photonen

Zusammenstoß zwischen dem Photon und einem Elektron im Atom, bei dem das Photon einen Teil seiner Energie und seines Impulses an das Elektron übergibt

Die Energie des gestreuten Photons sinkt, seine Wellenlänge wird größer

h < h

mv

10

Compton-Streuung

2sin

2

112sin

22

2sin4

v

2

1v

2sinv

2

22

2

2

222

22

21

21

mc

hcmc

h

hhmc

hE

m

mmE

c

hm

2cos1024.02cos1

2sin

2 2

mc

hmc

h

11

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Absorption des Photons

Die Energie des Photons wird dem Festkörper übergeben

I0

I

,

dI I d

dI

Id

I I

0 exp

µ … linearer Schwächungskoeffizient [cm-1]

ℓ … Dicke des Absorbers [cm]

h E

12

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Photoeffekt

Das Photon bring Energie, die den Austritt eines Elektrons aus der Oberfläche des Festkörpers ermöglicht

Dies ist mit der Absorption des Photons verbunden

Die Wahrscheinlichkeit der Absorption des Photons hängt von der Energie ab

XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy)

WhE kin

W … Austrittarbeit h

W+Ekin

13

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Ionisation von Atomen Das Photon bring Energie, die ein Atom

in der Kristallstruktur ionisiert (ein Elektron wird abgerissen)

Dies ist mit der Absorption des Photons verbunden

Das „freie“ Elektron verhält sich als eine Welle, die im Material wiederum gestreut werden kann

EXAFS (Extended X-ray absorption fine structure)

NEXAFS - Near Edge X-ray Absorption Fine Structure

XANES - X-ray Absorption Near Edge Structure

14

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Röntgenfluoreszenz

Das Photon bring Energie, die ein Elektron im Festkörper anregt

Dies ist mit der Absorption des Photons verbunden

RFA (Röntgenfluoreszenzanalyse)

Das registrierte Energiespektrum enthält die spektralen Linien der Atome im analysierten Material

21 hh

15

Wechselwirkung Photon – Festkörper

Magnetische Röntgenbeugung

Nichtresonant: Streuung der Röntgenstrahlung an Spinmomenten

Resonant: Effekt der magnetischen Austauschaufspal-tung unbesetzter Zustände in der Nähe der Fermi-Kante (resonante Austauschstreuung)

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Wechselwirkung Photon – Festkörper

Elastische Röntgenbeugung und Röntgenstreuung (Thomson)

Nichtelastische Röntgenstreuung (Compton) Absorption des Photons Photoeffekt EXAFS, NEXAFS, XANES Röntgenfluoreszenz Magnetische Röntgenbeugung

Zusammenfassung

17

Wechselwirkung Neutron – Festkörper

Neutron

Atom

Elastische Neutronenstreuung

Wechselwirkung zwischen dem Neutron und dem Atomkern

Keine Änderung der Energie (und der Wellenlänge) des gestreuten Neutrons

Nukleare (atomare) Neutronenbeugung und Neutronenstreuung

18

Wechselwirkung Neutron – Festkörper

Nichtelastische Neutronenstreuung

Wechselwirkung der Neutronen mit Phononen (Gitterschwingungen)

(1) Neutron nimmt kinetische Energie durch Absorption des Phonons auf

(2) Neutron gibt einen Teil seiner Energie an Phonon über

Untersuchung der Kristallgitter-schwingungen

2

Kristall

22

22

2

222 R

Mk

Mk

M nn

KkRk

Energie:

Impuls:

19

Wechselwirkung Neutron – Festkörper

Magnetischer Moment des Neutrons

Magnetischer Moment im Atom

Magnetische Neutronenstreuung

Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Moment des Neutrons (µ = 1,91 µB) und dem magnetischem Moment des Atoms

Untersuchung der magnetischen Strukturen von Festkörpern

Immer noch öfter verwendet als die magnetische Röntgenstreuung