Thomson-Streuung

Thomson-Streuung (nach Joseph John Thomson) bezeichnet die elastische Streuung von Licht (Photonen) an (ungebundenen, freien) Elektronen.

Dabei wird die Energie einfallender Photonen absorbiert und anschließend wieder abgestrahlt. Dabei ist die kinetische Energie der einfallenden Strahlung gering genug, um den Impulsübertrag vom streuenden Licht auf das Elektron zu vernachlässigen (keine Energieübertragung). Es ist also eine Streuung, bei der die kinetische Energie erhalten bleibt (elastische Streuung) im Gegensatz zu einer inelastischen 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.

Bei höheren Energien treten inelastische Streuprozesse zwischen Elektronen und Photonen auf (Compton-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:

$\sigma _{\mathrm {T} }={\frac {8\pi }{3}}r_{e}^{2}={\frac {1}{6\pi \epsilon _{0}^{2}}}{\frac {e^{4}}{{m_{e}}^{2}c^{4}}}=6{,}6652\cdot 10^{-29}\,\mathrm {m} ^{2}$

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 $\alpha ={\frac {h\nu }{m_{e}c^{2}}}$