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2025-12-20T17:55:42Z

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[[Datei:Cyclotron motion smaller view.jpg|mini|Ein Elektronenstrahl, durch Stöße mit verdünntem Gas als farbige Spur sichtbar gemacht. Ein Magnetfeld biegt den Strahl zu einem Kreis.]]
Ein '''Elektronenstrahl''', früher auch '''Kathodenstrahl''', ist ein technisch erzeugtes [[Strahlenbündel]] aus [[Elektron]]en. Da Elektronen in der Luft der [[Erdatmosphäre|Atmosphäre]] sehr schnell ihre Energie verlieren, benötigen Elektronenstrahlen ein [[Vakuum]] oder zumindest einen gegenüber der Atmosphäre deutlich verminderten [[Gasdruck]]. Mit [[Betastrahlung]] wird demgegenüber die ungebündelte natürliche Elektronen- oder [[Positron]]enstrahlung aus radioaktiven Zerfällen bezeichnet.

Elektronenstrahlen bilden die Grundlage für die [[Bildröhre]]n, mit der lange Zeit [[Fernseher]], [[Computermonitor]]e oder [[Oszilloskop]]e betrieben wurden.

== Erzeugung ==
Technisch erzeugte Strahlenbündel von Elektronen werden als Elektronenstrahl bezeichnet. Die Strahlerzeugung erfolgt technisch meist mit einer [[Elektronenkanone]], einem Strahlensystem, wie es auch in der [[Kathodenstrahlröhre]] (Braunschen Röhre und Bildröhre) vorkommt. Die Elektronen werden aus einer [[Glühkathode]] freigesetzt und durch ein elektrisches Feld beschleunigt. Eine weitere Beschleunigung kann mit [[Teilchenbeschleuniger]]n ([[Linearbeschleuniger]], [[Betatron]], [[Mikrotron]], [[Synchrotron]]) erfolgen.

Bei der Entdeckung der Kathodenstrahlen traten Strahlen durch eine Öffnung in einer der Kathode gegenüberliegenden (positiven) [[Anode]] aus und verursachten Leuchterscheinungen. Man bezeichnete diese offensichtlich von der Kathode ausgehenden Strahlen daher als Kathodenstrahlen. Die bei kalter Kathode entstehenden Strahlen einer Gasentladung bezeichnete man demgegenüber als [[Kanalstrahlen]]. Erst später erkannte man, dass erstere aus [[Elektron]]en und letztere aus (positiven) [[Ion]]en bestanden.

== Geschichte ==
[[Datei:Katódsugarak mágneses mezőben(1).jpg|mini|Eine Schattenkreuzröhre]]
[[Datei:Katódsugarak mágneses mezőben(2).jpg|mini|Schattenkreuzröhre in Betrieb. Auf der linken Seite der Röhre ist in der Leuchterscheinung ein Schatten der kreuzförmigen Anode zu sehen.]]
[[Datei:Katódsugarak mágneses mezőben(4).jpg|mini|Durch ein Magnetfeld wird der Schatten der Anode verschoben -- in diesem Fall nach unten.]]
Untersuchungen wurden stimuliert durch die Suche nach den kleinsten Teilchen der Elektrizität, wie sie nach den [[Faradaysche Gesetze|Faradayschen Gesetzen]] existieren sollten. Man untersuchte deshalb elektrische Vorgänge in verdünnten [[Gas]]en und fand dabei Leuchterscheinungen. [[Julius Plücker]] verwendete [[Gasentladungsröhre]]n, in denen Kathoden erhitzt wurden. Er und sein Schüler [[Johann Hittorf]] stellten 1869<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 41.</ref> fest, dass
# sich aus den Kathoden eine Art elektrischer Strahlung geradlinig ausbreitete,
# dazwischen gestellte Gegenstände einen Schatten werfen,
# sich die Strahlung durch ein [[Magnetismus|Magnetfeld]] ablenken ließ.

Der Begriff Kathodenstrahlen wurde 1876 von [[Eugen Goldstein]] geprägt. [[William Crookes]], der für diese Untersuchungen die [[Schattenkreuzröhre]] erfand, stellte 1879 fest, dass diese Strahlen auch in [[Vakuum|hoch evakuierten]] Röhren auftraten, in denen ansonsten keine Leuchterscheinungen der Gasentladung mehr zu erkennen waren. Außerdem erkannte er, dass sie [[Festkörper]] erwärmen und einen [[Druck (Physik)|Druck]] ausüben. Dies führte zur Erkenntnis, dass Kathodenstrahlen aus [[Teilchen]] bestehen. Den Teilchencharakter (Entdeckung des Elektrons) der Kathodenstrahlen erkannte 1897 [[J. J. Thomson]].

Erstmals wurden Kathodenstrahlen systematisch von [[Philipp Lenard]] in den 90er Jahren des 19. Jahrhunderts untersucht, der ab 1892 grundlegende Studien durchführte.<ref>[[Paul Diepgen]], [[Heinz Goerke]]: ''[[Ludwig Aschoff|Aschoff]]/Diepgen/Goerke: Kurze Übersichtstabelle zur Geschichte der Medizin.'' 7., neubearbeitete Auflage. Springer, Berlin/Göttingen/Heidelberg 1960, S. 46.</ref> Er baute hierfür das so genannte [[Lenard-Fenster]], das aus einem Gitter mit einer aufgebrachten [[Metallfolie]] bestand, und erkannte, dass die Kathodenstrahlen eine Folie aus mehreren tausend Atomschichten durchqueren konnten. Zudem stellte Lenard fest, dass Kathodenstrahlen [[Fotoplatte]]n belichten und bei geeigneten Stoffen [[Phosphoreszenz]] hervorrufen können.

== Beschleunigung und Ablenkung ==
Ein Elektronenstrahl besteht aus schnell bewegten, elektrisch geladenen Teilchen, den Elektronen. Elektronen tragen jeweils eine elektrische [[Elementarladung]]. Damit repräsentiert der Elektronenstrahl einen [[Elektrischer Strom|elektrischen Strom]]. Wie jeder elektrische Strom erzeugt ein Elektronenstrahl ein Magnetfeld. Wegen der [[Elektrische Ladung|elektrischen Ladung]] der Elektronen lässt sich die Bahn des Elektronenstrahls sowohl mit elektrischen als auch mit Magnetfeldern beeinflussen.

Mit geeignet angeordneten, unter [[Elektrische Spannung|elektrischer Spannung]] stehenden Elektroden oder von elektrischem Strom durchflossenen Spulen kann der Strahl abgelenkt werden. Elektroden eignen sich außerdem dafür, die Elektronen zu beschleunigen oder zu bremsen. Man spricht dann von einem beschleunigten oder abgebremsten Elektronenstrahl. Neben der Geschwindigkeit kann mit Elektroden auch die [[Divergenz (Optik)|Divergenz]] des Strahls beeinflusst werden. Die für die Aufweitung oder Fokussierung des Strahls eingesetzten Elektroden bilden die [[Elektronenoptik]].

Die Beschleunigung von elektrischen Ladungen ist unvermeidlich mit der Abgabe von [[Bremsstrahlung]] verbunden. Dies wird in [[Undulator (Synchrotron)|Undulatoren]] ausgenutzt, um sehr kurzwellige [[elektromagnetische Strahlung]] zu erzeugen. Da die Energie der Bremsstrahlung der kinetischen Energie der Elektronen verloren geht, ist die Bremsstrahlung ein begrenzender Faktor bei der Auslegung von [[Synchrotron]]s und anderen Anlagen, die Elektronen auf sehr hohe kinetische Energie bringen.

== Streugesetz ==
[[Philipp Lenard|Lenard]] fand das Streugesetz:

: <math>N(x) = N_0 e^{-\alpha \cdot x}</math>

mit:

: <math>N_0</math> = Zahl der Elektronen vor der Folie, <math>\alpha</math> = Absorptionskoeffizient, <math>x</math> = Foliendicke.

Es gab vielerlei Versuche, die Masse der Teilchen zu bestimmen, aus denen die Kathodenstrahlen bestanden. Dies jedoch gelang erst [[Joseph John Thomson]] (1856–1940). Thomson setzte ein stark verbessertes Vakuum ein und konnte das Verhältnis der Ladung zur [[Masse (Physik)|Masse]] durch [[Elektrostatik|elektrostatische]] Ablenkung der Kathodenstrahlen bestimmen.

== Anwendungsbereiche ==
=== Bilderzeugung ===
[[Datei:Electron gun.jpg|mini|Dreifach-[[Elektronenkanone]] aus einer [[Farbbildröhre]], Länge etwa 120 mm]]Die erste nennenswerte technische Anwendung fanden Elektronenstrahlen in der [[Kathodenstrahlröhre]], die von [[Karl Ferdinand Braun]] 1897 entwickelt wurde. Der Elektronenstrahl wird auf einem [[Fluoreszenz|fluoreszierenden]] Schirm im Innern der Röhre sichtbar, wo er auf diesen auftrifft.

Anwendungen sind der [[Oszilloskop|Kathodenstrahloszillograph]] ([[Vektorgrafik]]) und die [[Bildröhre]] (Rasterdarstellung).

=== Erzeugung elektromagnetischer Wellen ===
Abgelenkte Elektronenstrahlen mit [[relativistisch]]er Geschwindigkeit dienen an [[Synchrotron]]s u. a. als Quelle für elektromagnetische Strahlung ([[Synchrotronstrahlung]]) von [[Infrarot]] bis zu weicher [[Gammastrahlung]]. Auch der [[Freie-Elektronen-Laser]] nutzt die Synchrotronstrahlung eines abgelenkten Elektronenstrahles.

In der [[Röntgenröhre]] trifft ein Elektronenstrahl auf eine Metallplatte und erzeugt durch das Abbremsen [[Röntgenbremsstrahlung]]. Sie wird zur medizinischen Untersuchung bzw. [[Strahlentherapie|Therapie]], in der Sicherheitstechnik (Flughafen-[[Sicherheitskontrolle#Passagiere und Bordgepäck|Gepäckkontrolle]]) und in der Werkstoffforschung.

Elektronenstrahlen werden zum Generieren und Verstärken von [[Hochfrequenz]] beziehungsweise [[Mikrowellen]] eingesetzt, siehe hierzu [[Wanderfeldröhre]], [[Klystron]], [[Gyrotron]].

=== Elektronenstrahltechnologie ===
Elektronenstrahlen wechselwirken stark mit Materie, so erhitzt sich beispielsweise ein Festkörper, wenn er mit Elektronenstrahlen bestrahlt wird. Ausgenutzt wird dies unter anderem zum Aufschmelzen von Materialien beispielsweise beim [[Elektronenstrahlschmelzen]] oder als Heizer beim [[Elektronenstrahlverdampfer]].

In der Metallbearbeitung werden Elektronenstrahlen hoher Leistung (Größenordnung 100 kW) zum Schmelzen, Härten, Glühen, Bohren, Gravieren und Schweißen eingesetzt. Die Bearbeitung geschieht meist im Vakuum (Druck maximal 10<sup>−2</sup> mbar).

Beim ''[[Elektronenstrahlschweißen]] an Atmosphärendruck'' (engl. {{lang|en|''non-vacuum electron beam welding''}}, NVEBW) kann ein Elektronenstrahlschweißvorgang jedoch auch unter Normaldruck geschehen. Hierbei kann der Arbeitsabstand zwischen Strahlaustritt und Werkstück nur bei bis etwa 20 Millimetern liegen, da der Elektronenstrahl mit der Luft wechselwirkt und gestreut wird. Der Übergang vom Hochvakuum zum Atmosphärendruck geschieht über mehrere Druckstufen.<ref>[https://www.sst-ebeam.com/de/anwendungsgebiete/schweissen-an-atmosphaere-nvebw.html EB-Schweißen an Atmosphäre], Mitteilung der Steigerwald Strahltechnik GmbH, abgerufen am 30. SEP 2021</ref>

Es lassen sich mit schnell abgelenkten Strahlen Strukturen im Mikrometerbereich herstellen, z. B. beim [[Dünnschichttechnik|Elektronenstrahlabgleich]]. Feinste Elektronenstrahlen eignen sich auch zur Strukturierung im Nanometerbereich, beispielsweise bei der [[Elektronenstrahllithografie]].

=== Elektronenmikroskopie und Mikrosonden ===
{{Hauptartikel|Elektronenmikroskop}}
Den Elektronen eines Elektronenstrahles lassen sich nach [[Louis de Broglie]] entsprechend ihrer Energie auch Wellenlängen zuordnen, sie sind aber selbst keine [[elektromagnetische Welle]]. Ihre De-Broglie-Wellenlänge liegt für typische Energien dabei weit unterhalb eines Nanometers. Elektronenstrahlen weisen daher keine Einschränkungen des [[Auflösungsvermögen]]s aufgrund von [[Beugung (Physik)|Beugungserscheinungen]] auf.

Aufgrund der ausgeprägten Wechselwirkung mit Materie werden Elektronen neben der Abbildung auch zur Analyse der inneren Struktur und der Oberfläche von Festkörpern eingesetzt, siehe [[Elektronenstrahlmikroanalyse]]. Bei der [[Massenspektrometrie]] können Elektronenstrahlen zum Ionisieren von Festkörperoberflächen eingesetzt werden.

== Siehe auch ==
* [[Boersch-Effekt]]

== Weblinks ==

{{Wiktionary|Elektronenstrahl}}
{{Wiktionary|Kathodenstrahl|suffix=0}}

* fizkapu.hu: [https://www.fizkapu.hu/animator/_katodsugarak.html Katódsugarak] – Animation der Bilder (''Kathodenstrahlen durch ein Magnetfeld 1–4.'')

== Einzelnachweise ==
<references />

{{Normdaten|TYP=s|GND=4151894-9}}

[[Kategorie:Teilchenphysik]]
[[Kategorie:Röhrentechnik]]
[[Kategorie:Elektronenoptik]]

Elektronenstrahl - Versionsgeschichte

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