Томсъново разсейване

от Уикипедия, свободната енциклопедия
Направо към навигацията Направо към търсенето

Томсъновото разсейване или разсейване на Томсън е еластичното разсейване на електромагнитно излъчване от свободна заредена частица. Това е точно нискоенергийната граница на Комптъновото разсейване: кинетичната енергия на частицата и честотата на фотона не се променят в резултат на разсейването.[1] Тази граница е валидна докато енергията на фотона е много по-малка от енергията на частицата: или еквивалентно, ако дължината на вълната на светлината е много по-голяма от Комптъновата дължина на вълната на частицата.

Описание на явлението[редактиране | редактиране на кода]

В нискоенергийната граница, електричното поле на попадащата вълна (фотона) се ускорява заредената частица, карайки я да излъчи радиация със същата честота като попадаща вълна, като така вълната се разсейва. Томсъновото разсейване е важно явление във физиката на плазмата и за пръв път е обяснено от физика Джоузеф Джон Томсън. Докато движението на частицата е нерелативистко (т.е. скоростта ѝ е много по-малка от тази на светлината), основната причина за ускорение на частицата ще е поради електричното поле на попадащата вълна. Частицата би се движила по посока на трептящото електрично поле, което води до електромагнитно диполно излъчване. Движещата се частица излъчва най-силно по посока, перпендикулярна на ускорението си, като това лъчение би било поляризирано по посока на движението си. Следователно, в зависимост от местоположението на наблюдателя, разсеяната светлина от елемент с малък обем може да изглежда малко или много поляризирана.

Thomson scattering geometry.png

Електричните полета на попадащата и наблюдаваната вълни могат да бъдат разделени на съставящи, лежащи в равнината на наблюдение (образувана от попадащата и наблюдаваната вълни), и такива, перпендикулярни на тази равнина. Съставящите, лежащи в тази равнина се наричат „радиални“, а тези в перпендикулярната равнина – „тангенциални“.

Диаграмата в дясно илюстрира равнината на наблюдение. Показана е радиалната съставяща на попадащото електрично поле, което кара заредените частици в точката на разсейване да проявят радиална съставяща на ускорение (т.е. съставяща, която е допирателна на равнината на наблюдение). Доказуемо е, че амплитудата на наблюдавана вълна би била пропорционална на косинус от χ, ъгъла между попадащата и наблюдаваната вълни. Интензитетът, който е амплитудата на квадрат, тогава би бил намален с коефициент cos2(χ). Може да се види, че тангенциалните съставящи (перпендикулярни на равнината на диаграмата) не биха били засегнати по този начин.

Разсейването най-добре се описва от емисионен коефициент, който се дефинира като ε, където ε dt dV dΩ dλ е енергията, разсеяна от обемния елемент през време dt под ъгъл dΩ между дължините на вълната λ и λ+dλ. От гледна точка на наблюдателя, има два емисионни коефициента, εr, съответстващ на радиално поляризираната светлина, и εt, съответстващ на тангенциално поляризираната светлина. За неполяризираната попадаща светлина, коефициентите са:

където е плътността на заредените частици в точката на разсейване, е попадащият поток (т.е. енергия/време/площ/дължина на вълната), а е Томсъновото напречно сечение за заредената частица, дефинирана по-долу. Общата излъчена енергия от обемен елемент по време dt между дължините на вълната λ и λ+dλ се намира чрез интегриране на сбора на емисионните коефициенти върху всички посоки:

Томсъновото диференциално напречно сечение, свързано със сбора на емисионните коефициенти, се получава от

изразено в SI единици. q е зарядът на частица, m е масата на частица, а е константа, диелектричната проницаемост на свободното пространство. Интегрирайки по триизмерния ъгъл, получаваме Томсъновото напречно сечение

в SI единици.

Важна черта е, че напречното сечение е независимо от честотата на фотона. Напречното сечение е пропорционално с малък коефициент на квадрата на класическия радиус на материалната точка с маса m и заряд q, а именно

Това може да бъде изразено и по отношение на , Комптъновата дължина на вълната, и константата на взаимодействие:

За електрон, Томсъновото напречно сечение се изразява числено чрез:

[2]

Примери за Томсъновото разсейване[редактиране | редактиране на кода]

Реликтовото излъчване е линейно поляризирано в резултат на Томсъново разсейване.

Слънчевата К-корона е резултатът от Томсъново разсейване на слънчева радиация от слънчеви коронни електрони. Мисията на НАСА STEREO генерира триизмерни изображения на плътността на електроните около Слънцето чрез измерване на К-кораната о два различни сателита.

Обратният ефект на Комптън може да бъде разглеждам като Томсъново разсейване в неподвижната система на релативистичната частица.

Рентгеновата кристалография се базира на Томсъново разсейване.

Вижте също[редактиране | редактиране на кода]

Източници[редактиране | редактиране на кода]