Quelle: Wikipedia
Dieser wichtige Effekt, wofür er 1927 den Nobelpreis erhielt, ist nach dem Physiker Arthur Compton (1892 – 1962) benannt. Er beschreibt den inelastischen Stoß eines hochenergetischen Gammaquants mit einem Elektron. Inelastisch deshalb, weil das Photon bei diesem Stoß Energie an ein Elektron überträgt. Dadurch sinkt die Energie des gestreuten Gammaquants und dessen Wellenlänge nimmt zu. Aber Achtung: Man kann die Comptonstreuung durchaus auch als elastischen Stoß bezeichnen, da ja die (kinetische) Energie von Gammaquant und Elektron nach dem Stoß gleich vor dem Stoß ist, was ja eigentlich der Definition eines elastischen Stoßes entspricht. Ich habe mich für die Bezeichnung inelastisch entschieden, weil es im Gegensatz zur Comptonstreuung auch (elastische) Lichtstreuung gibt (z.B. Raleigh-Streuung), bei der die Energie bzw. Wellenlänge des gestreuten Photons gleich bleibt.
Bei diesem Stoß muss der Energie- und der Impulserhaltungssatz gelten:
Kombiniert man beide Erhaltungssätze, so kann man die Energie E2 des gestreuten Gammaquants in Abhängigkeit vom Streuwinkel ϑ ermitteln:
Nochmals das wichtige Resultat:
Bei ϑ = 0° verliert das Photon überhaupt keine Energie (E2 = E1), bei ϑ = 180° ist der Energieverlust maximal.
Bei ϑ = 90° und einer Ausgangsenergie von 59.54 keV besitzt das Gammaquant nach der Comptonstreuung eine Energie von 53.33 keV. Genau diesen Sachverhalt möchte ich experimentell nachweisen. Der Alphastrahler Americium-241 ist zugleich auch ein Gammastrahler eben mit der Energie von 59.54 keV.
Zuerst nehme ich mit meinem Gammaspektroskop die direkte Gammastrahlung des Americiums auf:
Der Aufbau für den ersten Versuch:
Mittels der MCA-Software Theremino (MCA steht für multi channel analyzer) müsste ich nun einen Peak bei 59.5 keV erhalten, was auch der Fall ist:
Im zweiten Versuch detektiere ich mit dem Photomultiplier die Compton-gestreute Gammastrahlung und zwar genau für den Streuwinkel ϑ = 90°. Doch wie garantiere ich experimentell diesen Streuwinkel? Im Mathematikunterricht haben wir vermutlich etwas vom Thaleskreis gehört. In einem Halbkreis besitzen sämtliche eingeschriebenen Dreiecke mit der Hypothenuse entlang des Kreisdurchmessers einen Winkel von 90°:
Genau diesen Umstand nützen wir nun aus. Die Gammaquanten des Americiums treffen auf einen Aluminium-Halbkreis und werden zum Teil dort gestreut. Nur jene um 90° gestreuten Gammaquanten treffen auf den Szintillationskristalls vor dem Photomultiplier:
Starte ich jetzt die MCA-Software, so müsste ich eine Peak bei 53.33 keV erhalten, mal schauen. Zunächst kümmere ich mich einmal um den mechanischen Aufbau:
Walzblei von der Gammaspektroskopie und meinem Röntgenaufbau hatte ich noch zuhause:
Die 3 Lagen Blei ergeben eine Dicke von zumindest 3 mm. Damit sollten die 60 keV Gammastrahlen eigentlich gut abgeschirmt werden können:
So sieht der fertige Aufbau noch ohne Photomultiplier aus:
Der gesamte Aufbau:
Das mit der MCA-Software Theremino aufgenommene Energiespektrum:
Das Spektrum von Americium im Aluhalbkreis plus Hintergrund:
Hier zusätzlich noch das Energiespektrum des Hintergrunds (Achtung: Die beiden Graphen besitzen einen unterschiedlichen Maßstab auf der y-Achse. Normalerweise müsste der Background niedriger als dargestellt sein):
Und schließlich das Americium-Spektrum minus dem Hintergrundspektrum, also rein die vom Americium herrührende Compton-gestreute Strahlung:
Man erkennt gut, dass der Photopeak von ursprünglich 59.4 keV durch den Comptoneffekt in Richtung geringerer Energie verschoben ist, Heureka 😉
Ich habe dann noch einen anderen Aufbau ausprobiert und zwar mit einem Bleikollimator und einem 12 mm Alurundstab als Streuzentrum:
Leider ist das Ergebnis mit diesem Setup bedeutend schlechter und ich konnte nicht wirklich einen Peak bei Energien um die 55 keV ausmachen:
Das Youtube-Video reiche ich wie immer nach…
