Prinzip der Streuversuche

Eine kurze Geschichte der Streuversuche

Anhand von Streuversuchen untersuchen die Physiker, wie es im Innersten eines Probenteilchens aussieht. Dabei wird ein Teilchen, das als Sonde fungiert, an einem anderen Teilchen – der zu untersuchenden Probe – gestreut. Die Art und Weise, wie das Sondenteilchen von der Probe abprallt, verrät den Physikern, wie das Probenteilchen beschaffen war.

Grafische Darstellung eines Querschnitts durch eine Goldfolie, die aus fünf Reihen von Atomen besteht. Diese sind als kleine Kugeln (Atomkern) mit einer breiten, kreisförmigen Hülle dargestellt (Elektronenhülle). Von links kommen Alphateilchen, die auf die Atome treffen und dabei mehr oder weniger stark abgelenkt werden (Flugbahn durch Linien dargestellt).
Streuung von Alphateilchen an einer Goldfolie

Das Prinzip ist einfach. Wahrscheinlich ist einer unserer Vorfahren schon in der Steinzeit auf die Idee gekommen, zwei Dinge gegeneinander zu schlagen und nachzusehen, was die Bruchstücke ihm über deren Innenleben verraten. Inzwischen sind Jahrtausende vergangen. Die Technologien sind komplexer geworden, die Objekte immer kleiner, der Aufwand entsprechend größer. Doch das Prinzip bleibt gleich: Wollen wir herausfinden, was sich im Innersten der Materie abspielt, ob die kleinsten Bausteine unserer Welt womöglich aus noch kleineren zusammengesetzt sind, so lassen wir zwei Teilchen zusammenprallen und sehen uns an, was bei der Kollision passiert. Im Fachjargon klingt der Prozess gehobener: Man spricht von „Streuversuchen“, in denen ein Teilchen, das als Sonde fungiert, an einem anderen Teilchen – der zu untersuchenden Probe – gestreut wird. Die Art und Weise, wie das Sondenteilchen von der Probe abprallt – in welche Richtung es gestreut wird, welche Energie es dabei besitzt, ob die Probe beim Zusammenstoß auseinander bricht oder nicht –, verrät uns, wie das Probenteilchen beschaffen war.

Drei Grafiken zum Prinzip der Streuversuche: In der oberen Grafik wird ein an einem Seil hängender Sack mit Bällen beworfen. In der mittleren wird er mit Pfeilen beschossen, die zum Teil an kleinen Kugeln in seinem Inneren abprallen. In der unteren Grafik werden Geschosse auf den Sack gelenkt. Treffen diese auf eine Kugel im Inneren des Sacks, so zuplatzt diese. Die anderen Geschosse fliegen ungehindert durch den Sack hindurch.
Verschiedene Projektile enthüllen den Aufbau eines Objekts

Ein solches Streuexperiment war es, das Anfang des 20. Jahrhunderts das Weltbild der Physik revolutionierte. Damals lenkten Hans W. Geiger und Ernest Marsden, die Assistenten von Ernest Rutherford, Alphateilchen auf eine hauchdünne Goldfolie. Zu ihrer großen Überraschung stellten sie fest, dass einige Teilchen mit großer Wucht zurückgeworfen wurden. „Ich hatte den Eindruck, mit einem Gewehr auf ein Stück Seidenpapier zu schießen und dass auf einmal eine der Kugeln nach hinten abprallte“, soll Rutherford das Geschehen kommentiert haben. Erst Wochen später, im Jahr 1911, kam Rutherford auf die Erklärung des erstaunlichen Phänomens. Die Häufigkeit, mit der die Alphateilchen um einen bestimmten Winkel gestreut wurden, lieferte ihm den entscheidenden Hinweis: Dass die meisten Teilchen einfach durch die Folie hindurchflogen, ohne abgelenkt zu werden, ließ darauf schließen, dass die Goldatome im Wesentlichen leer sind. Diejenigen Teilchen, die mit Wucht zurückgestreut wurden, also große Abprallwinkel aufwiesen, mussten dagegen auf einen kleinen, schweren Kern gestoßen sein, der fast die gesamte Masse der Goldatome in sich konzentriert. Damit war das damals vorherrschende Bild des Atoms – eine positiv geladene Kugel mit eingebetteten negativen Elektronen – passé: Der Atomkern war entdeckt.

Obwohl die Atome viel zu klein sind, als dass der Mensch in sie hineinsehen könnte, lassen sich diese winzigen Teilchen also mit Streuversuchen „durchleuchten“ – ihr Inneres wird indirekt sichtbar gemacht. So konnte Rutherford nicht nur feststellen, dass sich im Inneren der Goldatome kleinere Objekte befinden, er konnte auch einiges über die Eigenschaften dieser Objekte herausfinden. Anhand von grundlegenden physikalischen Betrachtungen gelang es ihm, eine Formel zu finden, mit der er die Stöße zwischen sehr kleinen, elektrisch geladenen Teilchen beschreiben konnte. Dabei hängt die Häufigkeit verschiedener Abprallwinkel von der Ladung der Teilchen ab. Durch Versuche mit Folien aus verschiedenen Metallen konnte nun gezeigt werden, dass die Atomkerne verschiedener Elemente unterschiedliche Ladungen besitzen. Den Schlüssel zu diesem Erfolg lieferten die Beobachtungen von Geiger und Marsden, die geduldig im dunklen Labor hinter dem Messmikroskop saßen und zählten, wie viele Teilchen in welche Richtung gestreut wurden.

Schematische Darstellung eines Experimentieraufbaus: Links unten erzeugt eine Strahlungsquelle Alphasteilchen. Diese fliegen nach rechts oben auf eine Goldfolie, an der sie gestreut wird. Die Folie ist von mehreren im Kreis angeordneten, plattenförmigen Messeinrichtungen umgeben, auf denen die gestreuten Alphateilchen aufprallen. Beim Auftreffen auf den Platten erzeugen die Alphateilchen kleine Lichtblitze.
Die Versuchsanordnung von Rutherford

Mit der Weiterentwicklung der Teilchenbeschleuniger wurden die „Geschosse“ kleiner und die Zusammenstöße heftiger. Mit steigender Teilchenenergie sondierten die Streuexperimente immer kleinere Abstände, sie offenbarten immer feinere Details. 1954 wurde deutlich, dass die Protonen keinesfalls „Punkte“ sind, sondern einen messbaren Durchmesser besitzen. Ende der 1960er Jahre entdeckte man am Beschleunigerzentrum SLAC in Kalifornien die Bausteine der Protonen und Neutronen, die Quarks. An der Speicherringanlage HERA, die von 1992 bis 2007 beim Forschungszentrum DESY in Hamburg in Betrieb war, schrieben die Experimente H1 und ZEUS die Erfolgsgeschichte der Streuversuche fort. Auch hier prallten Elektronen auf Protonen, und der Winkel und die Energie der gestreuten Elektronen gaben Aufschluss über die Vorgänge im Proton. Da die Protonen bei den HERA-Experimenten nicht ruhten, sondern ebenfalls auf hohe Energien beschleunigt wurden, war die Energie, die den Elektronen während der Kollision zur Verfügung stand, etwa 2600-mal größer als bei dem SLAC-Experiment von 1969 – und neun Millionen Mal höher als die der Alphateilchen von Rutherford. Damit ermöglichte HERA den weltweit schärfsten Blick ins Proton – bis hinunter zu Strukturen, die nur den milliardsten Teil eines milliardstel Meters groß sind, das heißt 2000-mal kleiner als das Proton selbst. Zwar endete die Datennahme an HERA im Sommer 2007, doch die HERA-Experimente laufen weiter: Die Auswertung der in 15 Betriebsjahren aufgenommenen Messdaten wird bis weit über 2010 hinaus spannende Einsichten in das Innenleben des Protons und die Natur der fundamentalen Kräfte liefern.

 

Mit hochenergetischen Teilchen kleine Abstände erkennen

Im Jahr 1924 brachte der junge französische Physiker Louis V. de Broglie in seiner Doktorarbeit eine revolutionäre Idee vor: Genauso wie Lichtwellen sich – den Erkenntnissen von Einstein nach – unter bestimmten Umständen wie Teilchen verhalten, sollten Teilchen in gewissen Situationen als Wellen auftreten.

Bis dato galten Elektronen als harte, undurchdringliche, geladene Kügelchen. Der de Broglie'schen Theorie zufolge sollten sie – genau wie Lichtwellen – nun ebenfalls Beugungs- oder Interferenzeffekte zeigen. Dass dem tatsächlich so ist, konnten Clinton J. Davisson und Lester H. Germer drei Jahre später beweisen, als sie einen Elektronenstrahl an einem Kristallgitter streuten: Für bestimmte Streuwinkel ergaben sich Interferenzmaxima, die sich nur als Interferenzerscheinungen von Wellen – in diesem Fall „Materiewellen“ – deuten ließen.

Um die Analogie komplett zu machen, ordnete de Broglie jedem Teilchen eine Wellenlänge zu, die umgekehrt proportional zu seinem Impuls ist. Je größer also der Impuls eines Teilchens – und damit seine Energie –, desto kleiner seine Wellenlänge. Und genauso wie man mit Lichtwellen Strukturen von der Größe der Wellenlänge des Lichts untersuchen kann, so lassen sich mit Teilchenstrahlen Abstände im Bereich der Wellenlänge der Materiewelle sichtbar machen. Betragen die kleinsten unter einem Lichtmikroskop noch sichtbaren Abstände etwa einen Mikrometer (\(10^{-6}\) m), so lassen sich mit Röntgenstrahlen mit Wellenlängen um \(10^{-10}\) m schon einzelne Atome untersuchen. Die Teilchenstrahlen am Elektron-Proton-Beschleuniger HERA beim Forschungszentrum DESY in Hamburg haben dagegen eine so kleine Wellenlänge, dass die Physiker mit ihnen \(10^{-18}\) m kleine Strukturen erkennen können.