Рассеяние (физика)

В физике под рассеянием обычно понимается отклонение объекта в результате взаимодействия с другим локальным объектом ( центром рассеяния ), в частности отклонение излучения частицы или волны . Примерами являются рассеяние света на атомах или мелкой пыли , электронах на других электронах или нейтронах на ядрах атомов .

Сила рассеяния обозначается поперечным сечением рассеяния . Название происходит от того факта, что сечение рассеяния в классическом рассеянии материальных точек на твердой сфере точно такое же, как сечение сферы.

Различают упругое и неупругое (или неупругое) рассеяние:

• с упругим рассеянием (см. также упругое столкновение ) сумма кинетических энергий после столкновения такая же, как и прежде
• в С другой стороны, она изменяется при неупругом рассеянии, например, часть существующей кинетической энергии преобразуется в энергию возбуждения атома или используется, например, в процессах ионизации для разрыва связи.

Неупругое рассеяние в более узком смысле означает, что падающая частица все еще присутствует после столкновения, хотя и с меньшей энергией; В более широком смысле процессы поглощения (процессы, при которых падающая частица «исчезает») иногда относят к процессам неупругого рассеяния.

Когда дело доходит до рассеяния волн, также различают когерентное и некогерентное рассеяние. В случае когерентного рассеяния существует фиксированное фазовое соотношение между падающей и рассеянной волнами (см. Отражение ), в случае некогерентного рассеяния - нет. Если когерентные лучи рассеиваются когерентно, рассеянные лучи могут интерферировать друг с другом. Это особенно полезно для дифракции рентгеновских лучей .

Теоретическое описание рассеяния - задача теории рассеяния . Эксперименты в физике высоких энергий обычно называют экспериментами по рассеянию, даже если z. Б. Возникновение новых частиц ( глубоконеупругое рассеяние ). Они предоставляют информацию о форме потенциала взаимодействия . Эрнест Резерфорд с помощью кинематических соотношений при рассеянии альфа-частиц на атомах показал, что они должны содержать тяжелое ядро .

В отличие от рассеяния, дифракция отклоняет излучение благодаря свойству волнового фронта распространяться во всех направлениях на краю препятствия. В случае рефракции отклонение излучения основано на изменении скорости распространения с изменением плотности или состава среды распространения , наиболее явно на границах фаз .

Угол рассеивания, прямое и обратное рассеяние

Угол рассеяния  является угол , на который отклоняется рассеиваемой частицы. В качестве прямого рассеяния называется процессы рассеяния на, в котором есть только небольшое отклонение (меньше угла рассеяния). Обратное рассеяние или обратное рассеяние относится к процессам рассеяния с углом рассеяния между и (см. Также кинематику (удар частицы) ). ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle 90 ^ {\ circ}}$${\ displaystyle 180 ^ {\ circ}}$

Если оба партнера столкновения имеют массу, отличную от нуля, угол рассеяния в центре тяжести часто учитывается в экспериментах по рассеянию в ядерной физике и физике элементарных частиц . С теоретической точки зрения это более важно, чем угол рассеяния в лабораторной системе .

Во многих случаях рассеяние вперед намного сильнее, чем рассеяние в других направлениях, поэтому оно имеет сравнительно большое дифференциальное сечение . Хорошо известным примером из повседневной жизни является рассеяние света частицами пыли в воздухе: если вы посмотрите почти в направлении источника света (например, когда солнечный свет падает в темную комнату), частицы пыли могут быть четко видны. видны как яркие точки. Нечто подобное происходит с мелкими каплями воды.

Разброс в обратном направлении ( ) обычно слабее в контексте классической физики, чем во всех других направлениях, но может быть сильнее, чем разброс в соседних направлениях из-за квантово-механических эффектов или эффектов интерференции . Когерентное обратное рассеяние также отвечает за высокую яркость полной луны. ${\ displaystyle \ theta = 180 ^ {\ circ}}$

Классический спред

В классической механике отличается столкновениями между твердыми телами рассеяния на потенциале. Для орбитального движения точечной массы в потенциале, который линейно убывает с расстоянием, всегда есть уравнения, описывающие коническое сечение : гипербола, парабола или эллипс. Положительный, то есть отталкивающий потенциал всегда приводит к гиперболам. Притягивающие потенциалы приводят к эллипсам, если энергия партнера по столкновению недостаточно велика. В этом смысле движение кометы - это также рассеяние на гравитационном потенциале Солнца.

Рассеяние электромагнитного излучения

У элементарных частиц

• Томсоновское рассеяние : упругое рассеяние на квазисвободных электронах (предельный случай комптоновского рассеяния для малых энергий фотонов).
• Комптоновское рассеяние : упругое рассеяние на квазисвободных электронах.
• Рассеяние света-света : эффект, который можно объяснить только в контексте квантовой электродинамики .

В вопросе

• Рэлеевское рассеяние : упругое (без передачи энергии) электромагнитное рассеяние на объектах, размер которых меньше их длины волны, а также дипольное рассеяние.
• Рамановское рассеяние : неупругое рассеяние на атомах, молекулах или твердых телах
• Рассеяние Ми : электромагнитное рассеяние на объектах по порядку величины длины волны, также рассеяние Лоренца-Ми, названное в честь немецкого физика Густава Ми (1868–1957) и датского физика Людвига Лоренца (1829–1891), приводит к теории Тиндаля. эффект
• Фононное комбинационное рассеяние : неупругое рассеяние на оптических фононах (колебания решетки в диапазоне частот видимого света)
• Рассеяние Бриллюэна : неупругое рассеяние на акустических фононах (колебания решетки в частотном диапазоне звука).

Рассеяние частиц

• Резерфордское рассеяние : заряженная частица на ядре атома, упругая
• Рассеяние Мотта : подобно рассеянию Резерфорда, но с учетом спина
• Рассеяние нейтронов : тепловые нейтроны на кристалле, упругие или неупругие; быстрый нейтрон на ядре атома, упругий (см. также замедлитель ) или неупругий
• Электронная дифракция : электрон на твердом теле (кристаллической решетке)
• Меллеровское рассеяние : электрон на электрон, т.е. неразличимые частицы
• Рассеяние Бхабхи : электрон на позитроне, его античастица
• Глубокое неупругое рассеяние , например электроны на адронах с высокой передачей энергии и импульса, предоставило информацию о внутренней структуре адронов.

Рассеяние элементарных частиц наглядно описывается диаграммами Фейнмана . В случае процессов рассеяния или распада в физике элементарных частиц различают исключающие и инклюзивные процессы. В случае эксклюзивных процессов измеряется энергия и импульс всех подстилочных продуктов; в случае инклюзивных процессов это опускается для некоторых подстилочных продуктов, так что вместо конкретного процесса разброса измеряется совокупность процессов. Последнее имеет место, среди прочего, когда некоторые из подстилочных продуктов трудно измерить, кого-то интересуют только определенные подстилки или существует слишком много подстилочных продуктов, точное измерение которых невозможно или слишком сложно.

Взаимодействие электромагнитного излучения с веществом

Ниже приводится схематическое изображение взаимодействия фотона с атомом. Горизонтальные линии представляют дискретные состояния возбуждения атома, которые электрон, показанный точкой, может занимать. Нижняя строка соответствует энергетическому базовому состоянию.

Томсоновское рассеяние

Томсоновское рассеяние - это когерентное взаимодействие с (квази) свободным электроном. Однако энергия рассеянного фотона при этом не меняется.

Комптоновское рассеяние

Как комптоновское рассеяние называется некогерентного процесс, в котором фотон рассеивается на свободном или только слабо связанного электрона . Когда электрон атома рассеивается, он ионизируется в результате этого процесса, и излучаются фотоэлектрон и фотон с уменьшенной энергией, зависящей от угла. Это рассеяние называется упругим, потому что влиянием энергии связи можно пренебречь, и поэтому сумма кинетических энергий до и после столкновения одинакова. Для неупругого процесса по отношению к электрону кинетическая энергия также должна быть преобразована во внутреннюю энергию с возбуждением внутренних степеней свободы, которой электрон не имеет. ${\ displaystyle E_ {Binding} << E_ {h \ nu}}$

Рэлеевское рассеяние

Процесс рассеяния является когерентным, т. Е. Сохраняет когерентность . Энергия ( h  - квант действия Планка ,  частота) падающего фотона слишком мала для возбуждения атома. Рассеяние происходит на связанных электронах, при этом энергия рассеянного фотона не изменяется. В классическом предельном случае, то есть при большой длине волны фотона по сравнению с боровским радиусом атома, говорят о рэлеевском рассеянии. Особенностью является то, что сечение рассеяния  σ очень сильно зависит от частоты и увеличивается пропорционально . Частота, которая в два раза выше, рассеивается в 2 ⁴ раза (= 16 раз) больше, это причина голубого неба и заката. ${\ Displaystyle Е = ч \ ню}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ nu ^ {4}}$

Рамановское рассеяние

В случае комбинационного рассеяния света, которое само по себе является неупругим, наблюдается несоответствие энергии кванта рассеянного света и энергии падающего кванта света. Разность энергий и есть энергия возбуждения вращения или колебания молекулы (в рамановском эффекте первого порядка). Эта разность энергий передается атому или поглощается фотоном. Тогда энергия рассеянного фотона равна (передача энергии молекуле) или (поглощение энергии квантом света). ${\ Displaystyle Е = ч \ ню}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu - \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu + \ Delta E}$

Резонансное поглощение, спонтанное излучение, флуоресценция и фосфоресценция

Если энергия падающего фотона точно соответствует разнице между двумя дискретными уровнями энергии , фотон поглощается атомом (также говорят о резонансном поглощении ). Тогда атом находится в возбужденном состоянии, которое может распадаться по различным каналам. Следующее за короткое время излучение фотона аналогичной частоты называется флуоресценцией . Энергия фотона флуоресценции может быть ниже излучаемой энергии из-за неизлучающих релаксационных процессов в атоме. Время жизни возбужденного состояния (состояний) обычно составляет несколько наносекунд (см. Время жизни флуоресценции ). Если время пребывания значительно больше, чем несколько наносекунд, говорят о фосфоресценции (переходы фосфоресценции часто являются переходами, запрещенными по спину). Обратите внимание, что в обоих случаях испускаемый и поглощенный фотон не имеют фиксированного фазового соотношения, поэтому это некогерентный процесс рассеяния. ${\ displaystyle \ Delta E}$

Вынужденное излучение

В случае стимулированного излучения существующий возбужденный атом возбуждается для испускания второго когерентного фотона фотоном, излучаемым с соответствующей энергией.

Фотоэффект

Процесс поглощения, при котором электрон принимает на себя всю энергию фотона, известен как фотоэлектрический эффект . Для этого необходима определенная прочность связи электрона по кинематическим причинам ; поэтому сечение фотоэлектрического эффекта наибольшее в самой внутренней оболочке (K-оболочке) тяжелых атомов.

На самом деле это не процесс рассеяния, а скорее процесс поглощения, поскольку после этого рассеянного фотона больше нет. В фотоэлектронной спектроскопии смотрят на триггерные фотоэлектроны, выделяя, среди прочего, возбуждение УФ или рентгеновским излучением ( UPS или XPS ).

Многократное рассеяние

Многократное рассеяние на нескольких центрах рассеяния происходит, например, при дифракции рентгеновских лучей в кристаллах, акустических волнах в пористой среде, рассеянии света на каплях воды в облаках или рассеянии лучей более быстрых заряженных частиц в веществе ( теория Мольера , например, Мольера радиус ).

Резонансное рассеяние

Для низкопотенциальных ям размером с длину волны Комптона возникает резонансное рассеяние, которое когерентно, но не в фазе. Разность фаз дает информацию о потенциальной глубине.

литература

• Йорн Блек-Нойхаус: Элементарные частицы: современная физика от атомов до стандартной модели (=  учебник Спрингера ). Springer, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-85299-5 , глава 5. 
• Богдан Пов, Митя Розина: Рассеяние и структуры: набег на квантовые явления (=  онлайн-библиотека физики и астрономии ). Springer, Берлин, Гейдельберг, Нью-Йорк, Гонконг, Лондон, Милан, Париж, Токио, 2002, ISBN 3-540-42887-9 .