Rayleigh Streuung - Energieerhaltung Photon?

[Mordor]

Hallo

ich habe mich ein wenig in der englischen Wikipedia Seite zum Thema elastischer Streuung eingelesen. Hier wird bei der elastischen Rayleigh Streuung folgende Aussage getroffen.

In this scattering process, the energy (and therefore the wavelength) of the incident photon is conserved and only its direction is changed

Das Photon wechselwirkt ja mit Materie und wird abgelenkt. In diesem Fall müsste doch auch das gestreute Atom einen winzigen Rückstoß erfahren. Hat dieser keinen Einfluss auf die Wellenlänge des Photons? Oder nehmen wir ein anderes Beispiel: In einem Prisma z.B. werden die Photonen je nach Wellenlänge ja unterschielich abgelenkt. Auch diese Ablenkung wird ja bestimmt in irgend einer Form als Energie auf das Prisma übertragen oder liege ich hier falsch? Ich stelle mir eine elastische Wechselwirkung analog einem Billardspiel vor. Selbst wenn ich mit extrem leichten Tennosbällen eine schwere Bowlingkugel treffe übertrage ich ja eine extrem winzige Energie auf die Bowlingkugel (welche sicherlich sofort wieder über Luftreibung, etc. abgegeben wird) aber es findet einn Übertrag statt.

Wenn ich 2 perfekt reflektierende parallel "fligende" Spiegel habe, einen luftleeren Raum im All und würde dort im 90° Winkel ein Photon hin und her reflektieren lassen würde das nicht zu einer minimalen Abstoßung der Spiegel und einer langsamen Rotverschiebung des Photons führen?

Sicherlich ist der Effekt winzig aber ich kann mir schwer vorstellen dass ein Photon irgendwo streut, abgelenkt wird aber null Energie übertragen wird.

Ich sollte zusätzlich erwähnen dass ich nichtphhysiker und eher interessierter Laie bin

LG

[Hawkwind]

Zitat von Mordor

Das Photon wechselwirkt ja mit Materie und wird abgelenkt. In diesem Fall müsste doch auch das gestreute Atom einen winzigen Rückstoß erfahren. Hat dieser keinen Einfluss auf die Wellenlänge des Photons?

Was allgemein elastische Streuprozesse angeht, hättest du recht: es ist dabei nur Erhaltung der kompletten Bewegungsenergie gesichert, und nicht Erhaltung der Bewegungsenergie des einfallenden Teilchens separat.
Diese separate Erhaltung ist eine Spezialität der Rayleigh-Streuung. Er wäre "inelastisch".

Das gestreute Elektron befindet sich ja - nach wie auch vor der Streuung - in demselben gebundenen Zustand des Atoms (einem Orbital). Und dieser legt seine Energie (wegen Quantisierung) komplett fest: es hat keine Chance, Energie aufzunehmen oder abzugeben. Täte es das, würde es das Orbital wechseln und so einen Streuprozess bezeichnet man nicht als Rayleigh-Streuung.

Da sich das gestreute Atom als Ganzes im Verbund eines Festkörpers befindet, ist die Masse des gestreuten Systems als praktisch unendlich anzusehen: das Zielatom ist an seinem Ort fixiert.

Mit einem kleinen bisschen Algebra (Energie- und Impulserhaltung) für ein Teilchen kleiner Masse, das auf ein Ziel mit sehr, sehr viel größerer Masse (praktisch unendlich) einschießt, kann man sich leicht klar machen, dass das für elastische Streuung dann so ist: Impulsbetrag des Streuteilchen vor und nach der Streuung ändern sich nicht.

[Mordor]

Vielen herzlichen Dank für die Antwort

Ahh okay ich verstehe dann müsste das Photon eine Mindestenergie X besitzen die einem Energieniveau X entspricht (abhängig vom Zielobjekt) wobei es dann aber eben nicht mehr elastisch ist weil irgendetwas passiert wie Ionisierung, etc.
Gibt es außer der Rayleigh Streuung noch andere elastische Streuprozesse bei denen ein niederenergetisches Photon z.B. mit einem Atomkern als solches streut und beispielsweise zu Gitterschwingungen anregt (Wärme?) ohne dass Elektronen ein Energieniveau wechseln bzw. gar durch ionisation getrennt werden?
Beispielsweise habe ich erst kürzlich von einem Experiment gelesen da ging es um elastische Neutrinostreuungen bei denen ein Neutrio beispielsweise bei sehr geringen Energien mit Atomkernen wechselwirken und einen minimalen Rückstoß des Kerns erzeugen kann und das aber ohne Energieschwelle. Ich vermute dass das völlig unterschiedliche Prozesse sind richtig? Also eine elastische Sreuung von Neutrinos an Materie nicht unbedingt mit einer Streuung von Photonen mit Materie vergleichbar ist?

LG

[Geku]

Zitat von Mordor

Gibt es außer der Rayleigh Streuung noch andere elastische Streuprozesse bei denen ein niederenergetisches Photon z.B. mit einem Atomkern als solches streut und beispielsweise zu Gitterschwingungen anregt (Wärme?) ohne dass Elektronen ein Energieniveau wechseln bzw. gar durch ionisation getrennt werden?

Beim sogenannte Compton-Effekt, bei dem Photonen von einem Elektron gestreut werden, das sich in einem freien Zustand befindet, oder von einem gebundenen Elektron in einem Atom. In diesem Fall kann die Frequenz des gestreuten Photons aufgrund von Energie- und Impulserhaltung geringfügig abweichen. Dies wird als inelastische Streuung bezeichnet.

Ist nicht die Streuung immer mit einer Impulsübertragung verbunden und demnach immer inelastich?

Ist nicht die Streuung so lange elastisch bis Energie zur Anregund eines anderen Zustandes abgezweigt wird?

Als Beispiel würde ich die Spur eines geladen Teilchens in einer Nebelkammer sehen. Mit jedem Stoß, der ein Atom ionisiert und damit die Nebelspur realisiert, verliert das geladene Teilchen an Energie und damit an Impus, was sich an dessen spiralförmiger Spur zeigt.

Bei einem Gamma-Quant läßt sich der Verlust an Impuls nicht so leicht nachweisen, da dieses keine Ladung trägt.

[Mordor]

Zitat von Geku

Ist nicht die Streuung immer mit einer Impulsübertragung verbunden und demnach immer inelastich?

Ist nicht die Streuung so lange elastisch bis Energie zur Anregund eines anderen Zustandes abgezweigt wird?

Als Beispiel würde ich die Spur eines geladen Teilchens in einer Nebelkammer sehen. Mit jedem Stoß, der ein Atom ionisiert und damit die Nebelspur realisiert, verliert das geladene Teilchen an Energie und damit an Impus, was sich an dessen spiralförmiger Spur zeigt.

Bei einem Gamma-Quant läßt sich der Verlust an Impuls nicht so leicht nachweisen, da dieses keine Ladung trägt.

Ist die Frage wie man elastisch oder inelastisch genau definiert. Ich dachte dass elastisch ein Stoß ist bei dem durchaus Bewegungselergie augeatauscht wird aber die beteiligten Teilchen unversehrt beiben also weder ionisation / Kernreaktionen, etc. also so wie bei der Neutrino - Kern
Streuung im elastischen Bereich. Ein Billdard im erweiterten Sinn...
Z.b. Photonen wechselwiken mit einer reflektiereden Metallfolie und ändern die Richtung. Da war ich der Meinung dass dese Richtungsänderund in irgend einer Form Energie an die Folie abgegeben wird (Streuung an Atomkernen - Gitteschwingung - Wärme) und das Photon dann mit extrem mimal längerer Wellenlänge die Richtung ändert.
Strahlungsdruck z.B.?

[Ich]

Zitat von Geku

Ist nicht die Streuung immer mit einer Impulsübertragung verbunden und demnach immer inelastich?

Ist nicht die Streuung so lange elastisch bis Energie zur Anregund eines anderen Zustandes abgezweigt wird?

Wenn im Schwerpunktsystem der Impuls der Komponenten erhalten bleibt, dann ist die Streuung elastisch. Nur in diesem System findet trotz Impulsübertrag kein Energieübertrag statt. Inelastisch bedeutet also tatsächlich, dass innere Zustände geändert werden.

[Hawkwind]

Zitat von Geku

Ist nicht die Streuung immer mit einer Impulsübertragung verbunden und demnach immer inelastich?

"Inelastisch" ist anders definiert: eine Streuung ist dann inelastisch, wenn die Summer der kinetischen Energien vor und nach dem Stoß nicht übereinstimmt; es geht dabei also nicht um Impulse.

Zitat von Geku

Ist nicht die Streuung so lange elastisch bis Energie zur Anregund eines anderen Zustandes abgezweigt wird?

Genau.

[Mordor]

Und ein niederenergetisches Photon ist dann nicht in der Lage elastisch an einer Metallfolie im Weltall zu streuen (z.B. an Atomkernen) und dabei nur Bewegungsenergie auf die Folie zu übertragen (Folie beweg sich nach Kollision schneller / lagsamer) und die Wellenlänge des Photons verschiebt sich in einen längerwelligen Bereich? EM Wellen können ja auch Lichtdruck erzeugen.

LG

[Ich]

Zitat von Mordor

Und ein niederenergetisches Photon ist dann nicht in der Lage elastisch an einer Metallfolie im Weltall zu streuen (z.B. an Atomkernen) und dabei nur Bewegungsenergie auf die Folie zu übertragen (Folie beweg sich nach Kollision schneller / lagsamer) und die Wellenlänge des Photons verschiebt sich in einen längerwelligen Bereich? EM Wellen können ja auch Lichtdruck erzeugen.

Nochmal: Nur im Schwerpunktsystem gibt es keinen Energieübertrag. Natürlich kann man z.B. mit vielen elastischen Stößen ein Teilchen bremsen und die Stoßpartner "erwärmen".

[Mordor]

Ahh okay ja ich merke schon das Thema ist ziemlich komplex.

LG