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Die Synchrotronstrahlung

 
 
 
Brems- und Dipolstrahlung
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Alle elektrisch geladenen Teilchen senden Strahlung aus, wenn sie gebremst oder beschleunigt werden oder wenn sie ihre Flugrichtung ändern. Wenn in einer Röntgenröhre ein Elektron in eine Wolframanode rast, wird es dort von Atomkernen "ausgebremst". Die elektromagnetische Strahlung, die es dabei abgibt, heißt Bremsstrahlung. Ein anderer Fall ist ein Elektron, das sich recht langsam auf einer Kreisbahn bewegt. Es behält zwar seine Geschwindigkeit bei, seine Richtung ändert sich aber ständig. Es strahlt deshalb andauernd elektromagnetische Wellen ab, und zwar nach vorne wie nach hinten. Die Frequenz dieser von Heinrich Hertz entdeckten Dipolstrahlung entspricht der Umlauffrequenz des Elektrons auf seiner Kreisbahn. Die Intensität ist um so größer, je enger die Bahn im Verhältnis zur Geschwindigkeit ist.


Teilchen strahlen bei hohen Geschwindigkeiten nach vorn.

Schneller = heller!
Nun lässt man das Elektron nicht mehr in gemütlichem Tempo auf seiner Bahn kreisen, sondern beschleunigt es auf sehr große Geschwindigkeiten. Nach wie vor hängt dann die Strahlungsleistung davon ab, wie sehr das Elektron auf eine Kreisbahn gezwungen wird, wie eng die Kurven sind. Das Elektron sendet die elektromagnetischen Wellen aber nicht mehr gleichmäßig in alle Richtungen aus. Statt dessen wird der bei weitem größte Teil der Strahlung in Fahrtrichtung abgegeben, fast nichts mehr nach hinten, oben oder unten. Dies ist ein Effekt, der mit der klassischen Physik allein nicht erklärt werden kann, sondern nur zusammen mit Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Diese intensive Vorwärtsstrahlung heißt Synchrotronstrahlung, denn sie wurde 1947 zuerst in einem Teilchenbeschleuniger des gleichnamigen Typs entdeckt.


Der sichtbare Anteil der Synchrotronstrahlung

Breites Spektrum, helles Licht
Zwei Eigenschaften zeichnen die Synchrotronstrahlung aus: das breite Frequenzspektrum vom Infrarot bis in den Röntgenbereich und die hohe Intensität dieses Lichts. Keine Strahlung, die über einen breiten Frequenzbereich reicht (zum Beispiel die Sonne oder eine Glühbirne), ist heller als die Synchrotronstrahlung. Zwar kann Laserlicht noch intensiver sein, dafür handelt es sich dann aber um eine einzelne Farbe. Besonders im Röntgenbereich, in dem es (noch) keine Laser gibt, ist die Synchrotronstrahlung ungeschlagen. Die Intensität kann mehr als eine Milliarden Mal größer sein als die stärksten traditionellen Röntgenstrahler.

 
 
 
Wiggler / Undulator
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Irdische Quellen ...
Auf der Erde sind Teilchenbeschleuniger die typische Quelle der Synchrotronstrahlung. Nur dort können die Ladungsträger auf derart hohe Geschwindigkeiten gebracht werden. Zunächst gab es keine speziellen Anlagen zur gezielten Erzeugung des begehrten Lichts. Forscher, die mit Synchrotronstrahlung experimentieren wollten, richteten sich ihre Labors an den Ringbeschleunigern ein. Doch die herkömmlichen Ablenkmagnete in den Beschleunigern reichten den Forschern nicht lange. Um die Strahlungsintensität zu verstärken, wurden Parcours von Magneten eingebaut, die Wiggler und Undulatoren. Darin werden sie auf einen Schlingerkurs gebracht, und bei diesen vielen Richtungswechseln strahlen sie tausendmal stärker als in den Kurven des Beschleunigers.


Der Krabbennebel, strahlender Leichnam eines Sterns. (NASA)

... und außerirdische
Synchrotronstrahlung gibt es, nicht erst seit es Teilchenbeschleuniger gibt, denn auch im Weltall lassen sich einige Quellen finden. Elektronen mit sehr hoher Energie umkreisen den Planeten Jupiter in dessen magnetischem Feld. Dabei geben sie Synchrotronstrahlung im Radiowellenbereich ab. In den Magnetfeldern des Krabben-Nebels, den Überresten einer Supernova, einer gigantischen Sternenexplosion, strahlen Elektronen auch noch im sichtbaren und ultravioletten Bereich. Andere astronomische Objekte, die Radiowellen als Synchrotronstrahlung aussenden, sind Pulsare, sehr schnell drehende Sterne, und Quasare, die wie Sterne aussehen, aber vermutlich reine Synchrotronstrahler sind.

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