Masterarbeit - Physikzentrum der RWTH Aachen

2. Grundlagen
Kohärente Streuung
Bei Photonenergien unterhalb von einigen hundert keV tritt kohärente Streuung
von Photonen an der Elektronhülle eines Atoms, auch Rayleigh-Streuung genannt,
auf. Dabei wird dieses weder ionisiert noch angeregt und die Energie des Photons
bleibt unverändert. Lediglich seine Richtung ändert sich. Da der Ablenkwinkel mit
steigender Energie kleiner wird und die Wahrscheinlichkeit einer Streuung abnimmt,
ist dieser Prozess für Anwendungen in der Hadronentherapie bei einigen hundert
MeV vernachlässigbar [20].
Comptoneffekt
Beim Compton-Effekt werden Photonen an (quasi-)freien Elektronen gestreut und
verlieren dabei Energie abhängig vom Streuwinkel. Der Wirkungsquerschnitt für
Energien deutlich über m e c 2 lässt sich mit
angeben [27].
Paarbildung
σ = πre
2 m e c 2 ( ( ) 2Eγ
ln
E γ m e c 2 + 1 )
2
(2.9)
Ab einer Energie E γ von 2 m e c 2 ≈1 MeV kann ein Photon im Coulombfeld eines
Atomkerns in ein Elektron-Positron-Paar umgewandelt werden. Bei einer Energie
von 5 m e c 2 bis 50 m e c 2 erhält man den Wirkungsquerschnitt
σ pp = αr 2 eZ 2 ln E γ . (2.10)
Für höhere Energien E γ flacht der Anstieg ab und der Wirkungsquerschnitt wird ab
etwa 10 3 m e c 2 nahezu konstant bei [27]
2.2. Kernreaktionen
σ pp ≃ 12αZ 2 r 2 e. (2.11)
Beim Beschuss eines festen Targets mit Ionen einer Energie von rund 200 MeV pro
Nukleon müssen Wechselwirkungen auf der Ebene von Atomkernen berücksichtigt
werden. Dabei handelt es sich einerseits um Streuungen im Coulombfeld des Kerns, wie
sie schon Rutherford beschreibt und die wir heute als elastische Streuung bezeichnen,
da die Summe der kinetischen Energien der Stoßpartner konstant bleibt. Andererseits
tritt auch inelastische Streuung auf, bei der ein Teil der Energie in die Umwandlung
der beteiligten Teilchen fließt. Hier reicht die Betrachtung der Teilchen anhand ihrer
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