Teil2

Wechselwirkung Elektron – Festkörper
Elastische Elektronenstreuung
 Elektromagnetische
Wechselwirkung zwischen dem
beschleunigten Elektron und den
Elektronen im Atom
Elektron
Atom
 Keine Änderung der Energie des
gestreuten Elektrons
 Elektronenbeugung
1
Wechselwirkung Elektron – Festkörper
hmax = Ekin = eU
Bremsstrahlung
 Verlust der Energie der
beschleunigten Elektronen
 Emission der „kontinuierlichen„
Röntgenstrahlung
2
Wechselwirkung Elektron – Festkörper
Charakteristische Strahlung
 Anregung der inneren
Elektronen durch das
beschleunigte Elektron
 Die „geladene“ Energie
wird demnächst in Form
des Röntgenquantums
ausgestrahlt
3
Wechselwirkung Elektron – Festkörper
Charakteristische
Röntgenstrahlung
Moseley:
1 1 
 2
2
1 2 
1
 1
 L  R Z  7,42  2  2 
3 
2
R  13,6 eV
 K  R Z  12 
Z … Ordnungszahl
4
Charakteristische Röntgenstrahlung
• Strahlung (elektromagnetische Welle) mit einer
definierten Wellenlänge für Röntgenbeugungsexperimente
• Chemische Analyse mittels Röntgenfluoreszenz
– Bestimmung der chemischen
Zusammensetzung aus der Wellenlänge und
Intensität der charakteristischen
Röntgenstrahlung
5
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
6
Wechselwirkung Elektron – Festkörper
Zusammenfassung
 Elastische Elektronenstreuung
 Emission von Bremsstrahlung
 Emission der charakteristischen
Röntgenstrahlung
 Emission von Auger-Elektronen
7
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Elastische Streuung der Photonen
Photon
Atom
h
h
 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
8
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Photon
Elektron
Gestreutes
Photon
h
Compton-Streuung
Gestreutes
Elektron
< h
mv
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
9
Compton-Streuung
2h

sin 2
mc
2
h
1  cos 2   0.024  1  cos 2 
 
mc
 
1 mv
2
E
E

1 mv 2
2
1 mv 2

2 m
4h 2 2 sin 2  2
2mc
2h
mc
h

sin
c
2
2
2
sin
 2
2

c

 h  h 
   1 1
 
2
 

2h
2
    
mc
sin
2
10
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Absorption des Photons
h
E
I0
 Die Energie des Photons wird dem
Festkörper übergeben
dI   Imdl
dI
 I    md l
I  I 0 exp  ml
m, l
I
µ … linearer Schwächungskoeffizient [cm-1]
ℓ … Dicke des Absorbers [cm]
11
Wechselwirkung Photon – Festkörper
W+Ekin
h
Ekin  h  W
W … Austrittarbeit
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)
12
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
13
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Röntgenfluoreszenz
 Das Photon bring Energie, die ein
Elektron im Festkörper anregt
 Dies ist mit der Absorption des
Photons verbunden
h1  h 2
 RFA (Röntgenfluoreszenzanalyse)
 Das registrierte Energiespektrum
enthält die spektralen Linien der
Atome im analysierten Material
14
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Magnetische Röntgenbeugung
 Nichtresonant: Streuung der
Röntgenstrahlung an
Spinmomenten
 Resonant: Effekt der
magnetischen Austauschaufspaltung unbesetzter Zustände in der
Nähe der Fermi-Kante (resonante
Austauschstreuung)
15
Wechselwirkung Photon – Festkörper
Zusammenfassung
 Elastische Röntgenbeugung und
Röntgenstreuung (Thomson)
 Nichtelastische Röntgenstreuung (Compton)
 Absorption des Photons
 Photoeffekt
 EXAFS, NEXAFS, XANES
 Röntgenfluoreszenz
 Magnetische Röntgenbeugung
16
Wechselwirkung Neutron – Festkörper
Elastische Neutronenstreuung
 Wechselwirkung zwischen dem
Neutron und dem Atomkern
Neutron
 Keine Änderung der Energie (und
der Wellenlänge) des gestreuten
Neutrons
Atom
 Nukleare (atomare)
Neutronenbeugung und
Neutronenstreuung
17
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 Kristallgitterschwingungen
Energie:
2
2 2
2
2
2
k 
k    
R
2M n
2M n
2 M Kristall
Impuls:
 
 
k  R  k   K
18
Wechselwirkung Neutron – Festkörper
Magnetische Neutronenstreuung
 Wechselwirkung zwischen dem
magnetischen Moment des
Neutrons (µ = 1,91 µB) und dem
magnetischem Moment des Atoms
Magnetischer
Moment des
Neutrons
Magnetischer
Moment im Atom
 Untersuchung der magnetischen
Strukturen von Festkörpern
 Immer noch öfter verwendet als die
magnetische Röntgenstreuung
19