Thomson-Streuung

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Thomson-Streuung (nach Joseph John Thomson) bezeichnet die elastische Streuung von Licht (Photonen) an geladenen freien oder (im Vergleich zur Photonenenergie) schwach gebundenen Teilchen (im Allgemeinen quasifreie Elektronen). Die Thomson-Streuung ist dabei der Grenzfall der Compton-Streuung für kleine Photonenenergien. Beide Arten der Streuung beruhen auf einem elastischen Stoß.

Geladene Teilchen werden durch das Feld einer elektromagnetischen Welle zu kohärenten harmonischen Schwingungen in der Ebene des elektrischen Feldes angeregt. Da diese Oszillation eine beschleunigte Bewegung ist, strahlen die Teilchen gleichzeitig Energie in Form einer elektromagnetischen Welle gleicher Frequenz ab (Dipolstrahlung). Man sagt, die Welle wird gestreut.

Thomson-Streuung ist eine rückstoßfreie Streuung, d. h., es findet kein Impulsübertrag vom Photon auf das Elektron statt. Sie tritt nur auf, solange die Energie der einfallenden Photonen klein genug ist, d. h., die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung viel größer ist als ein Atomradius (z. B. weiche Röntgenstrahlung). Bei kürzeren Wellenlängen, also höheren Energien, muss der Rückstoß des Elektrons berücksichtigt werden (Compton-Streuung).

Dieses Modell gilt auch für freie Elektronen im Metall, deren Resonanzfrequenz aufgrund fehlender Rückstellkräfte gegen Null geht. Streuung an gebundenen Elektronen oder ganzen Atomen bezeichnet man als Rayleigh-Streuung.

In der Praxis nutzt man (bei nicht allzu kleinen Dichten) die Thomson-Streuung als Methode zur Bestimmung der Elektronendichte (Intensität der Streustrahlung) und Elektronentemperatur (spektrale Verteilung der Streustrahlung, unter Annahme einer Maxwell-Verteilung der Geschwindigkeit).

Der klassische Thomson-Wirkungsquerschnitt ergibt sich als Grenzfall hoher Frequenz (im Vergleich zur Eigenfrequenz, \omega \gg \omega_0) aus dem Oszillatormodell:

 \sigma_\mathrm{T} = \frac{8 \pi}{3} r_e^2 = \frac{1}{6 \pi \epsilon_0^2} \frac{e^4}{{m_e}^2 c^4}= 6{,}652\,458\,558(27) \cdot 10^{-29}\,\mathrm{m}^2

wobei r_e der klassische Elektronenradius ist.

Eine bessere Näherung für kleine Energien erhält man durch Expansion der Klein-Nishina-Formel:

\sigma(\nu) = \sigma_\mathrm{T} \left(1-2\alpha + \frac{56}{5}\alpha^2 + \dots\right)

mit dem Faktor \alpha = \frac{h \nu}{m_e c^2}.


Eine Anwendung der Thomson-Streuung sind Messungen der Dichte im Plasma in Fusionsreaktoren. Dabei werden aus mehreren aktiv gütegeschalteten Nd:YAG-Lasern (Wellenlänge 1064 nm) parallele Lichtstrahlen von unten ins Plasma eingestrahlt. Im rechten Winkel dazu werden über eine Optik die gestreuten Lichtteilchen über Monochromatoren gemessen. Es kommt dabei zur Verschiebung um bis zu 700 nm. Durch die relativ geringe Pulsrate der Laser ist die zeitliche Auflösung begrenzt. Es lassen sich aber meist mehrere Laser unmittelbar hintereinander abfeuern. Damit ist in einem kurzen Zeitintervall die Auflösung höher.