Wirkquerschnitt

Wirkquerschnitt ist ein Maß für die Wahrscheinlichkeit, dass eine bestimmte Wechselwirkung zwischen einem Teilchenstrahl und einem Zielkern oder Zielteilchen auftritt. Er wird als effektive Fläche beschrieben, die angibt, wie groß das Ziel für die betreffende Wechselwirkung erscheint. In der Praxis wird der Wirkquerschnitt meist in Flächenmaßen angegeben, etwa in Quadratcentimetern oder in Barns (1 Barn = 10^-28 m^2).

Für einen einheitlichen Streuwert in einem homogenen Material mit Teilchenzahldichte n bestimmt sich die Wahrscheinlichkeit pro Weglänge durch nσ, wobei σ der Wirkquerschnitt ist. Die Abschwächung eines Strahls durch ein material wird durch die Gleichung I(x) = I0 exp(-nσx) beschrieben. Der makroskopische Querschnitt Σ = nσ charakterisiert die Abschirmung pro Längeneinheit. Der Gesamtswert σ_tot ist der Summe der Querschnitte aller möglichen Reaktionskanäle; der differentielle Querschnitt dσ/dΩ liefert die Richtungsverteilung der aus dem Ziel austretenden Teilchen.

Wirkquerschnitte hängen stark von der Energie des einfallenden Teilchens, dem Zielmaterial und dem Reaktionsweg ab. Messungen erfolgen üblicherweise durch das Verhältnis der beobachteten Reaktionsrate R zum Fluss Φ und zur Zahl der Zielkerne N: σ = R/(ΦN) bei geeigneter Targetgeometrie. Resonanzen, Schwellenverhalten und unterschiedliche Kanäle führen zu charakteristischen Energieabhängigkeiten.

Anwendung finden Wirkquerschnitte in der Kern- und Teilchenphysik, in der Strahlen- und Dosimetriemessung, in der medizinischen Radiotherapie sowie in der Astrophysik, wo sie helfen, Wechselwirkungen von Teilchen mit Materie zu verstehen und zu modellieren.