Elektrondiffraktion

Elektrondiffraktion bezeichnet das Phänomen, bei dem Elektronen als Wellenfronten durch Materie gebeugt werden und diffraktive Muster erzeugen. Sie bestätigt die Welleneigenschaft des Elektrons und die De-Broglie-Beziehung. Die erste klare Beobachtung gelang Davisson und Germer 1927 bei einem Elektronenstrahl, der auf ein kristallines Nickel traf, wobei Interferenzmuster entstanden. In der Praxis wird Elektrondiffraktion genutzt, um Strukturinformationen auf subnanometergen Ebenen zu gewinnen.

Theoretisch ergibt sich die Beugung aus der wellenartigen Ausbreitung des Elektrons im periodischen Potential eines Kristalls. Die de Broglie-Wellenlänge λ wird durch λ = h/p bestimmt, mit p dem Impuls des Elektrons. Für Elektronen mit kinetischer Energie E_k = eV gilt p ≈ sqrt(2 m E_k) (nicht-relativistisch), sodass λ ≈ h / sqrt(2 m e V). Bei höheren Spannungen sind relativistische Korrekturen erforderlich. Die Beugung an Kristallebenen folgt Bragg-Gesetz: n λ = 2 d sin θ, wobei d der Abstand der Ebenen ist und θ der Beugungswinkel.

Experimentell wird Elektrondiffraktion in der Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) sowie in der Oberflächenphysik durch selektierte Flächen-Diffraction (SAED) und konvergente-Beam-Elektronenbeugung (CBED) genutzt. Die auftretenden Muster liefern Informationen über Gitterabstände, Orientierung der Kristalle und Zwischenordnungen. Zudem nutzt die LEED-Technik niederenergetische Elektronen zur Oberflächencharakterisierung.

Zu den Begrenzungen gehören Mehrfachstreuung in dickeren Proben sowie die Notwendigkeit korrekter relativistischer Faktoren bei hohen Spannungen. Elektrondiffraktion hat maßgeblich zur Entwicklung der Elektronenmikroskopie beigetragen und bleibt ein zentrales Werkzeug in Kristallographie, Materialwissenschaft und Festkörperphysik.