Thomson saçılması - Thomson scattering

Işık madde etkileşimi
Düşük enerji fenomeni:
Fotoelektrik etki
Orta enerji fenomeni:
Thomson saçılması
Compton saçılması
Yüksek enerji fenomeni:
Çift üretimi
Fotodentegrasyon
Fotofisyon
v t e

Thomson saçılması , klasik elektromanyetizma ile tarif edildiği gibi , elektromanyetik radyasyonun serbest yüklü bir parçacık tarafından elastik saçılmasıdır . Compton saçılmasının düşük enerji sınırıdır : Parçacığın kinetik enerjisi ve foton frekansı saçılmanın bir sonucu olarak değişmez. Bu sınır, foton enerjisi parçacığın kütle enerjisinden çok daha küçük olduğu sürece geçerlidir : veya eşdeğer olarak, ışığın dalga boyu parçacığın Compton dalga boyundan çok daha büyükse (örneğin, elektronlar için, daha uzun dalga boyları sert röntgenler). ${\ displaystyle \ nu \ ll mc ^ {2} / h}$

Olgunun tanımı

Düşük enerji sınırında, gelen dalganın (foton) elektrik alanı yüklü parçacığı hızlandırarak , gelen dalga ile aynı frekansta radyasyon yaymasına neden olur ve böylece dalga saçılır. Thomson saçılması, plazma fiziğinde önemli bir fenomendir ve ilk olarak fizikçi JJ Thomson tarafından açıklanmıştır . Parçacığın hareketi göreceli olmadığı sürece (yani hızı ışık hızından çok daha azdır), parçacığın ivmesinin ana nedeni gelen dalganın elektrik alanı bileşeninden kaynaklanacaktır. İlk yaklaşımda, manyetik alanın etkisi ihmal edilebilir. Parçacık, salınan elektrik alanı yönünde hareket edecek ve elektromanyetik dipol radyasyonu ile sonuçlanacaktır . Hareket eden parçacık, ivmesine dik bir yönde en güçlü şekilde yayılır ve bu ışıma , hareketinin yönü boyunca polarize olur . Bu nedenle, bir gözlemcinin bulunduğu yere bağlı olarak, küçük hacimli bir elementten saçılan ışık az çok polarize görünebilir.

Gelen ve gözlemlenen dalganın (yani giden dalganın) elektrik alanları, gözlem düzleminde yatan bileşenlere (gelen ve gözlemlenen dalgaların oluşturduğu) ve bu düzleme dik olan bileşenlere bölünebilir. Düzlemde yatan bu bileşenler "radyal" olarak adlandırılır ve düzleme dik olanlar "teğetseldir". (Bu terimlerin doğal görünmesi zordur, ancak bu standart bir terminolojidir.)

Sağdaki şema gözlem düzlemini göstermektedir. Saçılma noktasında yüklü parçacıkların radyal bir ivme bileşeni (yani, gözlem düzlemine teğet bir bileşen) sergilemesine neden olan, gelen elektrik alanının radyal bileşenini gösterir. Gözlemlenen dalganın genliğinin, olay ve gözlemlenen dalgalar arasındaki açı olan χ kosinüsü ile orantılı olacağı gösterilebilir. Genliğin karesi olan yoğunluk, daha sonra cos ² (χ) faktörü ile azalacaktır . Teğet bileşenlerin (diyagramın düzlemine dik) bu şekilde etkilenmeyeceği görülebilir.

Saçılma en iyi ε olarak tanımlanan bir emisyon katsayısı ile tanımlanır; burada ε dt dV dΩ dλ, bir hacim elemanı tarafından dt zamanında dt katı açıya dΩ dalga boyları λ ve λ + dλ arasında saçılan enerjidir. Bir gözlemcinin bakış açısından, radyal olarak polarize ışığa karşılık gelen ε _r ve teğetsel olarak polarize ışığa karşılık gelen ε _t olmak üzere iki emisyon katsayısı vardır . Polarize olmayan olay ışığı için bunlar şu şekilde verilir: ${\ displaystyle dV}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {t} = {\ frac {3} {16 \ pi}} \ sigma _ {t} Giriş}$

${\ displaystyle \ varepsilon _ {r} = {\ frac {3} {16 \ pi}} \ sigma _ {t} \ cos ^ {2} \ chi} içinde$

burada yayılma noktasında yüklü parçacıkların yoğunluğu, olay akımı (yani, enerji / zaman / alan / dalga boyu) ve Thomson olan kesit aşağıda tanımlanan yüklü parçacık için. Λ ve λ + dλ dalga boyları arasında dt zamanında bir hacim elemanı tarafından yayılan toplam enerji , tüm yönlerdeki emisyon katsayılarının toplamının (katı açı) integraliyle bulunur: ${\ displaystyle n}$${\ displaystyle I}$${\ displaystyle \ sigma _ {t}}$${\ displaystyle dV}$

${\ displaystyle \ int \ varepsilon \, d \ Omega = \ int _ {0} ^ {2 \ pi} d \ varphi \ int _ {0} ^ {\ pi} d \ chi (\ varepsilon _ {t} + \ varepsilon _ {r}) \ sin \ chi = I {\ frac {3 \ sigma _ {t}} {16 \ pi}} n2 \ pi (2 + 2/3) = \ sigma _ {t} Giriş. }$

Emisivite katsayılarının toplamı ile ilgili Thomson diferansiyel kesiti şu şekilde verilir:

${\ displaystyle {\ frac {d \ sigma _ {t}} {d \ Omega}} = \ sol ({\ frac {q ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} mc ^ {2} }} \ sağ) ^ {2} {\ frac {1+ \ cos ^ {2} \ chi} {2}}}$

SI birimleri cinsinden ifade edilir ; q, partikül başına yük, m partikül kütlesi ve sabit, boş uzayın geçirgenliğidir . ( Cgs birimlerinde bir ifade elde etmek için 4 π ε ₀ faktörünü bırakın .) Katı açı üzerinden integral alarak Thomson kesitini elde ederiz. ${\ displaystyle \ varepsilon _ {0}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {t} = {\ frac {8 \ pi} {3}} \ sol ({\ frac {q ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0} mc ^ {2} }} \ sağ) ^ {2}}$

SI birimlerinde.

Önemli özelliği, kesitin foton frekansından bağımsız olmasıdır. Kesit, m kütleli bir noktasal parçacığın klasik yarıçapının karesine ve q yüküne basit bir sayısal faktör ile orantılıdır , yani

${\ displaystyle \ sigma _ {t} = {\ frac {8 \ pi} {3}} r_ {e} ^ {2}}$

Alternatif olarak, bu cinsinden ifade edilebilir , Compton dalga boyu ve ince yapı sabit : ${\ displaystyle \ lambda _ {c}}$

${\ displaystyle \ sigma _ {t} = {\ frac {8 \ pi} {3}} \ sol ({\ frac {\ alpha \ lambda _ {c}} {2 \ pi}} \ sağ) ^ {2 }}$

Bir elektron için Thomson kesiti sayısal olarak şu şekilde verilir:

${\ displaystyle \ sigma _ {t} = {\ frac {8 \ pi} {3}} \ sol ({\ frac {\ alpha \ hbar c} {mc ^ {2}}} \ sağ) ^ {2} = 6,6524587158 \ ldots \ times 10 ^ {- 29} {\ text {m}} ^ {2} = 66,524587158 \ ldots {\ text {(fm)}} ^ {2}}$

Thomson saçılmasının örnekleri

Kozmik arka Thomson saçılması ilişkilendirilen küçük bir doğrusal polarize bileşeni içerir. Sözde E-modları haritalayan polarize bileşen ilk olarak 2002 yılında DASI tarafından tespit edildi .

Solar K-korona , Thomson'ın solar koronal elektronlardan solar radyasyon saçılımının sonucudur. ESA ve NASA SOHO görevi ve NASA STEREO görevi, bu K-koronayı üç ayrı uydudan ölçerek güneşin etrafındaki elektron yoğunluğunun üç boyutlu görüntülerini oluşturur.

Gelen Tokamaklar , korona ICF hedefleri ve diğer deneysel füzyon cihazları, elektron sıcaklığı ve yoğunluğu plazma olabilir ölçülen yüksek yoğunluklu Thomson saçılma etkilerini tespit ederek yüksek doğruluk ile lazer ışını.

Ters-Compton saçılması , göreli parçacığın kalan çerçevesinde Thomson saçılması olarak görülebilir.

X-ışını kristalografisi Thomson saçılımına dayalıdır.

Ayrıca bakınız

• Compton saçılması
• Kapitsa-Dirac etkisi
• Klein-Nishina formülü

Referanslar

• Billings, Donald E. (1966). Güneş korona rehberi . New York: Akademik Basın . LCCN   66026261 .

Johnson WR; Nielsen J .; Cheng KT (2012). "Ortalama atom yaklaşımında Thomson saçılması". Fiziksel İnceleme . 86 (3): 036410. arXiv : 1207.0178 . Bibcode : 2012PhRvE..86c6410J . doi : 10.1103 / PhysRevE.86.036410 . PMID   23031036 . S2CID   10413904 .

Dış bağlantılar

• Thomson saçılma notları
• Thomson saçılması: ilke ve ölçümler