Kollisionsprozesse

Kollisionsprozesse beschreiben Wechselwirkungen zwischen zwei oder mehr Teilchen, bei denen durch Streuung oder Umwandlung Impuls, Energie oder der innere Zustand verändert werden kann. Sie treten in unterschiedlichsten Systemen auf, etwa in Gasen, Plasmen, in der Kern- oder Teilchenphysik sowie in chemischen Reaktionen. Grundtypen sind elastische Kollisionsprozesse, bei denen Gesamtenergie und Gesamtimpuls erhalten bleiben und nur Eigenschaften wie Richtung oder Verteilung der Geschwindigkeiten sich ändern. Inelastische Kollisionsprozesse führen zu Anregung, Spaltung oder Umwandlungen; in der Chemie sprechen wir oft von Reaktionen infolge Teilchenstöße, in der Kern- und Teilchenphysik von Streuung oder Zerfällen, die durch Wechselwirkungen angetrieben werden.

Quantitativ werden Kollisionsprozesse durch den Wirkungsquerschnitt σ beschrieben, der die Wahrscheinlichkeiten einer bestimmten Reaktion pro Flächeneinheit charakterisiert. Die mittlere freie Weglänge λ, die angibt, wie weit ein Teilchen durchschnittlich reist, bevor eine Wechselwirkung auftritt, ist λ = 1/(nσ) mit der Teilchendichte n. Die Boltzmann-Gleichung liefert die zeitliche Entwicklung der Verteilungsfunktionen und integriert Kollisionsoperatoren, um Reaktionsraten, Transitionswahrscheinlichkeiten und Thermodynamik zu berechnen.

Kollisionsprozesse sind zentral in der Gas- und Plasmaphysik, bei der Sternbildung, in der Raumfahrt sowie in der experimentellen Teilchen- und Kernphysik. Konkrete Beispiele umfassen elastische Streuung wie Rutherford-Streuung oder Elektron-Molekül-Streuung, inelastische Prozesse wie Rotations- und Vibrationsanregungen in Molekülen oder Kernreaktionen in Beschleunigern.

Historisch spielten Kollisionsprozesse eine Schlüsselrolle in der Entwicklung der kinetischen Theorie und der Quantenmechanik. In der Chemie bestimmt die Kollisionstheorie oft die Temperatur- und Druckabhängigkeit von Reaktionsraten.