Томсоновское рассеяние - Thomson scattering

Томсон рассеяние является упругим рассеянием от электромагнитного излучения с помощью свободной заряженной частицы , как описано в классическом электромагнетизме . Это низкоэнергетический предел комптоновского рассеяния : кинетическая энергия частицы и частота фотона не изменяются в результате рассеяния. Этот предел действителен до тех пор, пока энергия фотона намного меньше, чем массовая энергия частицы: или, что то же самое, если длина волны света намного больше, чем комптоновская длина волны частицы (например, для электронов, более длинные волны, чем жесткий рентген).

Описание явления

В пределе низких энергий электрическое поле падающей волны (фотона) ускоряет заряженную частицу, заставляя ее, в свою очередь, испускать излучение с той же частотой, что и падающая волна, и, таким образом, волна рассеивается. Томсоновское рассеяние является важным явлением в физике плазмы и впервые было объяснено физиком Дж . Дж. Томсоном . Пока движение частицы является нерелятивистским (т.е. ее скорость намного меньше скорости света), основная причина ускорения частицы будет связана с составляющей электрического поля падающей волны. В первом приближении влиянием магнитного поля можно пренебречь. Частица будет двигаться в направлении колеблющегося электрического поля, что приведет к электромагнитному дипольному излучению . Движущаяся частица излучает наиболее сильно в направлении, перпендикулярном ее ускорению, и это излучение будет поляризовано вдоль направления ее движения. Следовательно, в зависимости от того, где находится наблюдатель, свет, рассеянный от небольшого элемента объема, может казаться более или менее поляризованным.

Thomson scattering geometry.png

Электрические поля входящей и наблюдаемой волны (т.е. исходящей волны) можно разделить на компоненты, лежащие в плоскости наблюдения (образованные входящей и наблюдаемой волнами), и компоненты, перпендикулярные этой плоскости. Компоненты, лежащие в плоскости, называются «радиальными», а компоненты, перпендикулярные плоскости, - «тангенциальными». (Трудно заставить эти термины казаться естественными, но это стандартная терминология.)

На схеме справа изображена плоскость наблюдения. Он показывает радиальную составляющую падающего электрического поля, которая заставляет заряженные частицы в точке рассеяния проявлять радиальную составляющую ускорения (т. Е. Составляющую, касательную к плоскости наблюдения). Можно показать, что амплитуда наблюдаемой волны будет пропорциональна косинусу χ, углу между падающей и наблюдаемой волнами. Интенсивность, которая является квадрат амплитуды, затем будет уменьшена на коэффициент сов 2 (х). Видно, что тангенциальные составляющие (перпендикулярные плоскости диаграммы) не будут затронуты таким образом.

Рассеяние лучше всего описывается коэффициентом излучения, который определяется как ε, где ε dt dV dΩ dλ - энергия, рассеянная элементом объема во времени dt в телесный угол dΩ между длинами волн λ и λ + dλ. С точки зрения наблюдателя, существуют два коэффициента излучения: ε r, соответствующий радиально поляризованному свету, и ε t, соответствующему тангенциально поляризованному свету. Для неполяризованного падающего света они определяются как:

где - плотность заряженных частиц в точке рассеяния, - падающий поток (т.е. энергия / время / площадь / длина волны) и - поперечное сечение Томсона для заряженной частицы, определенное ниже. Полная энергия, излучаемая элементом объема за время dt между длинами волн λ и λ + dλ, находится путем интегрирования суммы коэффициентов излучения по всем направлениям (телесный угол):

Дифференциальное сечение Томсона, связанное с суммой коэффициентов излучения, определяется выражением

выражается в единицах СИ ; q - заряд, приходящийся на одну частицу, m - масса частицы и постоянная диэлектрическая проницаемость свободного пространства. (Чтобы получить выражение в единицах cgs , опустите множитель 4 π ε 0. ) Интегрируя по телесному углу, мы получаем поперечное сечение Томсона

в единицах СИ.

Важной особенностью является то, что сечение не зависит от частоты фотонов. Сечение пропорционально , с помощью простого числового множителя к квадрату классического радиуса в виде точечной частицы массы т и заряда д, а именно

В качестве альтернативы, это может быть выражено в терминах , на длине волны Комптона , и постоянной тонкой структуры :

Для электрона сечение Томсона численно определяется как:

Примеры томсоновского рассеяния

Реликтовый содержит небольшой линейно-поляризованный компонент приписываемого Thomson рассеяния. Эта поляризованная составляющая, отображающая так называемые E-моды, была впервые обнаружена DASI в 2002 году.

Солнечная K-корона является результатом томсоновского рассеяния солнечного излучения на электронах солнечной короны. Миссия ESA и NASA SOHO и миссия NASA STEREO создают трехмерные изображения электронной плотности вокруг Солнца путем измерения этой K-короны с трех отдельных спутников.

В токамаках , короне мишеней ICF и других экспериментальных термоядерных устройствах температура и плотность электронов в плазме могут быть измерены с высокой точностью путем обнаружения эффекта томсоновского рассеяния высокоинтенсивного лазерного луча.

Обратно-комптоновское рассеяние можно рассматривать как томсоновское рассеяние в системе покоя релятивистской частицы.

Рентгеновская кристаллография основана на томсоновском рассеянии.

Смотрите также

Рекомендации

  • Биллингс, Дональд Э. (1966). Путеводитель по солнечной короне . Нью-Йорк: Academic Press . LCCN   66026261 .

Джонсон WR; Nielsen J .; Ченг К.Т. (2012). «Томсоновское рассеяние в приближении среднего атома». Физический обзор . 86 (3): 036410. arXiv : 1207.0178 . Bibcode : 2012PhRvE..86c6410J . DOI : 10.1103 / PhysRevE.86.036410 . PMID   23031036 . S2CID   10413904 .

внешняя ссылка