~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Arc.Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Номер скриншота №:
✰ 6DA39BE332BBAA1269A516C6767769E8__1715352900 ✰
Заголовок документа оригинал.:
✰ Compton scattering - Wikipedia ✰
Заголовок документа перевод.:
✰ Комптоновское рассеяние — Википедия ✰
Снимок документа находящегося по адресу (URL):
✰ https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering ✰
Адрес хранения снимка оригинал (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/6d/e8/6da39be332bbaa1269a516c6767769e8.html ✰
Адрес хранения снимка перевод (URL):
✰ https://arc.ask3.ru/arc/aa/6d/e8/6da39be332bbaa1269a516c6767769e8__translat.html ✰
Дата и время сохранения документа:
✰ 16.06.2024 04:07:33 (GMT+3, MSK) ✰
Дата и время изменения документа (по данным источника):
✰ 10 May 2024, at 17:55 (UTC). ✰ 

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ Ask3.Ru ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ 
Сервисы Ask3.ru: 
 Архив документов (Снимки документов, в формате HTML, PDF, PNG - подписанные ЭЦП, доказывающие существование документа в момент подписи. Перевод сохраненных документов на русский язык.)https://arc.ask3.ruОтветы на вопросы (Сервис ответов на вопросы, в основном, научной направленности)https://ask3.ru/answer2questionТоварный сопоставитель (Сервис сравнения и выбора товаров) ✰✰
✰ https://ask3.ru/product2collationПартнерыhttps://comrades.ask3.ru


Совет. Чтобы искать на странице, нажмите Ctrl+F или ⌘-F (для MacOS) и введите запрос в поле поиска.
Arc.Ask3.ru: далее начало оригинального документа

Комптоновское рассеяние — Википедия Jump to content

Комптоновское рассеяние

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

Комптоновское рассеяние (или эффект Комптона ) — это квантовая высокочастотных фотонов теория рассеяния после взаимодействия с заряженной частицей , обычно электроном. В частности, когда фотон сталкивается с электронами, он высвобождает слабосвязанные электроны из внешних валентных оболочек атомов или молекул.

Эффект был открыт в 1923 году Артуром Холли Комптоном во время исследования рассеяния рентгеновских лучей легкими элементами и принес ему Нобелевскую премию по физике в 1927 году. Эффект Комптона значительно отличался от доминирующих классических теорий, использующих как специальную теорию относительности , так и квантовую механику. для объяснения взаимодействия между высокочастотными фотонами и заряженными частицами.

Фотоны могут взаимодействовать с веществом на атомном уровне (например, фотоэлектрический эффект и рэлеевское рассеяние ), на ядре или просто с электроном. Образование пар и эффект Комптона происходят на уровне электрона. [1] Когда высокочастотный фотон рассеивается вследствие взаимодействия с заряженной частицей, происходит уменьшение энергии фотона (и, следовательно, увеличение его длины волны ). Это эффект Комптона. Из-за сохранения энергии потерянная энергия фотона передается отталкивающейся частице (такой электрон можно было бы назвать «электроном комптоновской отдачи»).

Это означает, что если бы отталкивающаяся частица потеряла энергию, произошло бы обратное. Это известно как обратное комптоновское рассеяние , при котором энергия рассеянного фотона увеличивается.

Введение [ править ]

Рис. 1: Принципиальная схема эксперимента Комптона. Комптоновское рассеяние происходит в графитовой мишени слева. Щель пропускает рентгеновские фотоны, рассеянные под выбранным углом. Энергия рассеянного фотона измеряется методом брэгговского рассеяния в кристалле справа совместно с ионизационной камерой; камера могла измерять полную энергию, выделяемую с течением времени, а не энергию одиночных рассеянных фотонов.

В оригинальном эксперименте Комптона (см. рис. 1) энергия рентгеновского фотона (≈17 кэВ) была значительно больше энергии связи атомного электрона, поэтому электроны можно было рассматривать как свободные после рассеяния. Величина изменения длины волны света называется комптоновским сдвигом . Хотя ядерное комптоновское рассеяние существует, [2] Комптоновское рассеяние обычно относится к взаимодействию, в котором участвуют только электроны атома. Эффект Комптона наблюдал Артур Холли Комптон в 1923 году в Вашингтонском университете в Сент-Луисе подтвердил его аспирант Й. Х. Ву и в последующие годы Комптон был удостоен Нобелевской премии по физике . За это открытие 1927 года.

Эффект значителен, поскольку он демонстрирует, что свет нельзя объяснить исключительно как волновое явление. [3] Томсоновское рассеяние , классическая теория электромагнитной волны , рассеянной заряженными частицами, не может объяснить сдвиги длины волны при низкой интенсивности: классически свет достаточной интенсивности, чтобы электрическое поле ускоряло заряженную частицу до релятивистской скорости, вызывал отдачу радиационного давления и связанный с этим доплеровский сдвиг рассеянного света, [4] но эффект стал бы сколь угодно малым при достаточно низкой интенсивности света независимо от длины волны . Таким образом, если мы хотим объяснить комптоновское рассеяние низкой интенсивности, свет должен вести себя так, как если бы он состоял из частиц. Или предположение о том, что электрон можно рассматривать как свободный, неверно, в результате чего фактически бесконечная масса электрона равна массе ядра (см., например, комментарий ниже об упругом рассеянии рентгеновских лучей, возникающий из-за этого эффекта). Эксперимент Комптона убедил физиков, что свет можно рассматривать как поток частицоподобных объектов (квантов, называемых фотонами), энергия которых пропорциональна частоте световой волны.

Как показано на рис. 2, взаимодействие между электроном и фотоном приводит к тому, что электрону передается часть энергии (заставляя его отскакивать), а фотон с оставшейся энергией испускается в направлении, отличном от исходного, так что общий импульс системы также сохраняется. Процесс может быть повторен. В этом сценарии электрон рассматривается как свободный или слабосвязанный. Экспериментальная проверка сохранения импульса в отдельных процессах комптоновского рассеяния, проведенная Боте и Гейгером , а также Комптоном и Саймоном, сыграла важную роль в опровержении теории БКС .

Комптоновское рассеяние обычно называют неупругим рассеянием , поскольку энергия рассеянного фотона меньше энергии падающего фотона. [5] [6] Энергия падающего фотона передается частице отдачи, но только в виде кинетической энергии. Электрон не получает внутренней энергии, соответствующие массы остаются прежними, что является признаком упругого столкновения . С этой точки зрения комптоновское рассеяние можно считать упругим, поскольку внутреннее состояние электрона не меняется в процессе рассеяния. Считается ли комптоновское рассеяние упругим или неупругим, зависит от конкретного определения этих терминов.

Комптоновское рассеяние — один из четырех конкурирующих процессов, когда фотоны взаимодействуют с веществом. При энергиях от нескольких эВ до нескольких кэВ, что соответствует видимому свету мягких рентгеновских лучей, фотон может быть полностью поглощен, а его энергия может выбить электрон из атома-хозяина. Этот процесс известен как фотоэлектрический эффект. Фотоны высокой энергии 1,022 МэВ и выше могут бомбардировать ядро ​​и вызывать образование электрона и позитрона - процесс, называемый образованием пар ; Фотоны еще более высокой энергии (за пороговой энергией не менее 1,670 МэВ , в зависимости от участвующих ядер) могут выбросить нуклон или альфа-частицу из ядра в процессе, называемом фотораспадом . Комптоновское рассеяние является наиболее важным взаимодействием в промежуточной области энергий, при энергиях фотонов, превышающих типичные для фотоэффекта, но меньших порога образования пар.

Описание явления [ править ]

Рис. 2: Фотон с длиной волны приходит слева, сталкивается с покоящейся целью, и появляется новый фотон с длиной волны выходит под углом . Цель отскакивает, унося зависящее от угла количество падающей энергии.

К началу 20 века исследования взаимодействия рентгеновских лучей с веществом уже шли полным ходом. Было замечено, что при взаимодействии рентгеновских лучей известной длины волны с атомами рентгеновские лучи рассеиваются на угол и появляются на другой длине волны, связанной с . Хотя классический электромагнетизм предсказывал, что длина волны рассеянных лучей должна быть равна начальной длине волны, [7] Многочисленные эксперименты показали, что длина волны рассеянных лучей длиннее (соответствует более низкой энергии), чем исходная длина волны. [7]

статью В 1923 году Комптон опубликовал в журнале Physical Review , в которой объяснял рентгеновский сдвиг, приписывая квантам света импульс, подобный частице (Эйнштейн предложил кванты света в 1905 году для объяснения фотоэлектрического эффекта, но Комптон не опирался на теорию Эйнштейна). работа). Энергия квантов света зависит только от частоты света. В своей статье Комптон вывел математическую связь между сдвигом длины волны и углом рассеяния рентгеновских лучей, предположив, что каждый рассеянный рентгеновский фотон взаимодействовал только с одним электроном. Его статья завершается сообщением об экспериментах, которые подтвердили полученное им соотношение:

где

Количество h / m e c известна как комптоновская длина волны электрона; оно равно 2,43 × 10 −12 м . Сдвиг длины волны λ′ λ равен как минимум нулю (при θ = 0° ) и не более чем в два раза больше комптоновской длины волны электрона (при θ = 180° ).

Комптон обнаружил, что некоторые рентгеновские лучи не испытывают сдвига длины волны, несмотря на то, что они рассеиваются под большими углами; в каждом из этих случаев фотон не смог выбросить электрон. [7] Таким образом, величина сдвига связана не с комптоновской длиной волны электрона, а с комптоновской длиной волны всего атома, которая может быть в 10 000 раз меньше. Это известно как «когерентное» рассеяние всего атома, поскольку атом остается неповрежденным и не получает внутреннего возбуждения.

В первоначальных экспериментах Комптона указанный выше сдвиг длины волны был непосредственно измеримой наблюдаемой величиной. В современных экспериментах принято измерять энергии, а не длины волн рассеянных фотонов. Для данной падающей энергии , исходящая энергия фотона в конечном состоянии, , дан кем-то

Вывод формулы рассеяния [ править ]

Рис. 3: Энергии фотона с энергией 500 кэВ и электрона после комптоновского рассеяния.

Фотон γ с длиной волны λ сталкивается с электроном e в атоме, который считается покоящимся. Столкновение заставляет электрон отскакивать , и новый фотон γ ' с длиной волны λ ' появляется под углом θ от траектории падения фотона. Пусть e ' обозначает электрон после столкновения. Комптон допускал возможность того, что взаимодействие иногда ускоряет электрон до скоростей, достаточно близких к скорости света, что требует применения специальной теории относительности Эйнштейна для правильного описания его энергии и импульса.

В заключение статьи Комптона 1923 года он сообщил о результатах экспериментов, подтверждающих предсказания его формулы рассеяния, тем самым подтверждая предположение о том, что фотоны переносят как импульс, так и квантованную энергию. В начале своего вывода он постулировал выражение для импульса фотона, приравнивая уже установленное Эйнштейном соотношение массы и энергии: к квантованным энергиям фотонов , что Эйнштейн отдельно постулировал. Если , эквивалентная масса фотона должна быть . Тогда импульс фотона равен произведению эффективной массы на стационарную скорость фотона c . Для фотона его импульс , и, таким образом, hf можно заменить на pc для всех членов импульса фотона, которые возникают в ходе вывода, приведенного ниже. Вывод, представленный в статье Комптона, более краток, но следует той же логике и в той же последовательности, что и следующий вывод.

Сохранение энергии просто приравнивает сумму энергий до и после рассеяния.

Комптон постулировал, что фотоны несут импульс; [7] таким образом, из закона сохранения импульса импульсы частиц должны быть связаны аналогичным образом соотношением

в котором ( ) опускается в предположении, что оно фактически равно нулю.

Энергии фотонов связаны с частотами соотношением

где h постоянная Планка .

Перед событием рассеяния электрон рассматривается как достаточно близкий к состоянию покоя, так что его полная энергия полностью состоит из эквивалента массы и энергии его массы (покоя). ,

Возможность того, что после рассеяния электрон может быть ускорен до значительной части скорости света, требует, чтобы его полная энергия была представлена ​​с использованием релятивистского соотношения энергии и импульса.

Подстановка этих величин в выражение сохранения энергии дает

Это выражение можно использовать для нахождения величины импульса рассеянного электрона:

( 1 )
Обратите внимание, что эта величина импульса, полученного электроном (ранее равная нулю), превышает энергию /c, потерянную фотоном,

Уравнение (1) связывает различные энергии, связанные со столкновением. Изменение импульса электрона включает в себя релятивистское изменение энергии электрона, поэтому оно не связано просто с изменением энергии, происходящим в классической физике. Изменение величины импульса фотона связано не только с изменением его энергии; это также предполагает изменение направления.

Решение закона сохранения импульса для импульса рассеянного электрона дает

Использование скалярного произведения дает квадрат его величины:

В ожидании заменяется на , умножьте обе части на ,

После замены членов импульса фотона на , получим второе выражение для величины импульса рассеянного электрона:

( 2 )

Приравнивание альтернативных выражений для этого импульса дает

что после оценки квадрата, отмены и перестановки членов дает еще больше

Разделив обе части на урожайность

Наконец, поскольку = f ' λ' = c ,

( 3 )

Далее можно видеть, что угол φ выходящего электрона с направлением входящего фотона определяется выражением

( 4 )

Приложения [ править ]

Комптоновское рассеяние [ править ]

Комптоновское рассеяние имеет первостепенное значение для радиобиологии , так как представляет собой наиболее вероятное взаимодействие гамма-лучей и рентгеновских лучей высокой энергии с атомами живых существ и применяется в лучевой терапии . [8] [9]

Комптоновское рассеяние является важным эффектом в гамма-спектроскопии , который приводит к возникновению Комптоновского края , поскольку гамма-лучи могут рассеиваться за пределы используемых детекторов. Комптоновское подавление используется для обнаружения рассеяния гамма-лучей и противодействия этому эффекту.

комптоновское рассеяние Магнитное

Магнитное комптоновское рассеяние является расширением ранее упомянутого метода, который включает в себя намагничивание кристаллического образца ударом высокоэнергетических фотонов с круговой поляризацией. Путем измерения энергии рассеянных фотонов и изменения намагниченности образца на противоположное генерируются два разных комптоновских профиля (один для импульсов со спином вверх и один для импульсов со спином вниз). Разница между этими двумя профилями дает магнитный профиль Комптона (MCP), определяемый выражением – одномерная проекция спиновой плотности электронов.

где - число спин-неспаренных электронов в системе, и представляют собой трехмерное распределение импульсов электронов для электронов с основным и неосновным спином соответственно.

Поскольку этот процесс рассеяния является некогерентным (между рассеянными фотонами нет фазового соотношения), MCP отражает объемные свойства образца и является зондом основного состояния. Это означает, что MCP идеально подходит для сравнения с теоретическими методами, такими как теория функционала плотности . Площадь под MCP прямо пропорциональна спиновому моменту системы и поэтому в сочетании с методами измерения полного момента (такими как СКВИД- магнитометрия) может использоваться для выделения как спинового, так и орбитального вкладов в общий момент системы. . Форма МКП также дает представление о природе магнетизма в системе. [10] [11]

комптоновское рассеяние Обратное

Обратное комптоновское рассеяние играет важную роль в астрофизике . В рентгеновской астрономии , что аккреционный диск , окружающий черную дыру, предполагается создает тепловой спектр. Фотоны с более низкой энергией, образующиеся в этом спектре, рассеиваются до более высоких энергий релятивистскими электронами в окружающей короне . Предполагается, что это вызывает степенную составляющую в рентгеновских спектрах (0,2–10 кэВ) аккрецирующих черных дыр. [12]

Эффект также наблюдается, когда фотоны космического микроволнового фона (CMB) движутся через горячий газ, окружающий скопление галактик . Фотоны реликтового излучения рассеиваются электронами в этом газе до более высоких энергий, что приводит к эффекту Сюняева-Зельдовича . Наблюдения эффекта Сюняева – Зельдовича обеспечивают почти независимый от красного смещения способ обнаружения скоплений галактик.

Некоторые установки синхротронного излучения рассеивают лазерный свет хранимого электронного луча. Это комптоновское обратное рассеяние производит фотоны высокой энергии в диапазоне от МэВ до ГэВ. [13] [14] впоследствии использовался для экспериментов по ядерной физике.

Нелинейное рассеяние обратное комптоновское

Нелинейное обратное комптоновское рассеяние (NICS) — это рассеяние нескольких фотонов низкой энергии, создаваемых интенсивным электромагнитным полем, в фотоне высокой энергии (рентгеновском или гамма-излучении) во время взаимодействия с заряженной частицей, такой как электрон. [15] Его также называют нелинейным комптоновским рассеянием и многофотонным комптоновским рассеянием. Это нелинейная версия обратного комптоновского рассеяния, при которой условия для многофотонного поглощения заряженной частицей достигаются за счет очень интенсивного электромагнитного поля, например, создаваемого лазером . [16]

Нелинейное обратное комптоновское рассеяние представляет собой интересное явление для всех приложений, требующих фотонов высокой энергии, поскольку NICS способен производить фотоны с энергией, сравнимой с энергией покоя заряженной частицы и выше. [17] Как следствие, фотоны NICS могут использоваться для запуска других явлений, таких как рождение пар, комптоновское рассеяние, ядерные реакции , а также могут использоваться для исследования нелинейных квантовых эффектов и нелинейной КЭД . [15]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Паттисон, Филип (1975). «Рассеяние рентгеновских и гамма-лучей» (PDF) . База данных Уорика . Университет Уорика: 10 – через библиотеку Уорика.
  2. ^ П. Кристиллин (1986). «Ядерное комптоновское рассеяние» . Дж. Физ. Г: Нукл. Физ . 12 (9): 837–851. Бибкод : 1986JPhG...12..837C . дои : 10.1088/0305-4616/12/9/008 . S2CID   250783416 .
  3. ^ Гриффитс, Дэвид (1987). Введение в элементарные частицы . Уайли. стр. 15, 91. ISBN.  0-471-60386-4 .
  4. ^ К. Мур (1995). «Наблюдение перехода от томсоновского к комптоновскому рассеянию в оптических многофотонных взаимодействиях с электронами» (PDF) .
  5. ^ Каррон, Нью-Джерси (2007). Введение в прохождение энергетических частиц через материю . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. п. 61. ИСБН  9781420012378 .
  6. ^ Чен, Соу-Синь; Котларчик, Михаил (2007). Взаимодействие фотонов и нейтронов с веществом (2-е изд.). Сингапур: World Scientific. п. 271. ИСБН  9789810242145 .
  7. ^ Перейти обратно: а б с д Тейлор, младший; Зафиратос, CD; Дубсон, Массачусетс (2004). Современная физика для ученых и инженеров (2-е изд.). Прентис Холл . стр. 136–9. ISBN  0-13-805715-Х .
  8. ^ Кампхаузен К.А., Лоуренс Р.К. «Принципы лучевой терапии». Архивировано 15 мая 2009 г. в Wayback Machine в Паздуре Р., Вагман Л.Д., Кампхаузен К.А., Хоскинс В.Дж. (редакторы). Лечение рака: междисциплинарный подход. Архивировано 4 октября 2013 г. в Wayback Machine . 11 изд. 2008.
  9. ^ Ридван С.М., Эль-Тайеб Ф., Хайнфельд Дж.Ф. и Смиловиц Х.М. (2020). Распределение наночастиц йода, введенных внутривенно, в ортотопических ксенотрансплантатах глиомы человека U87 с течением времени и при терапии опухолей. Наномедицина, 15(24), 2369–2383. https://doi.org/10.2217/nnm-2020-0178
  10. ^ Малькольм Купер (14 октября 2004 г.). Рентгеновское комптоновское рассеяние . ОУП Оксфорд . ISBN  978-0-19-850168-8 . Проверено 4 марта 2013 г.
  11. ^ Барбиеллини, Б., Бансил, А. (2020). Методы рассеяния, Комптон. Материаловедение и материаловедение, Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-323-90800-9.00107-4
  12. ^ Доктор Тортоса, Алессия. «Механизмы комптонизации в горячих коронах в АЯГ. Взгляд NuSTAR» (PDF) . ОТДЕЛЕНИЕ МАТЕМАТИКА И ФИЗИКА.
  13. ^ «Главная страница ГРААЛЬ» . Lnf.infn.it. ​ Проверено 8 ноября 2011 г.
  14. ^ «Университет Дьюка TUNL HIGS Facility» . Проверено 31 января 2021 г.
  15. ^ Перейти обратно: а б Ди Пьяцца, А.; Мюллер, К.; Хацагорцян, Казахстан; Кейтель, Швейцария (16 августа 2012 г.). «Чрезвычайно интенсивные лазерные взаимодействия с фундаментальными квантовыми системами» . Обзоры современной физики . 84 (3): 1177–1228. arXiv : 1111.3886 . Бибкод : 2012РвМП...84.1177Д . дои : 10.1103/RevModPhys.84.1177 . ISSN   0034-6861 . S2CID   118536606 .
  16. ^ Мейерхофер, Д.Д. (1997). «Высокоинтенсивное лазерно-электронное рассеяние» . Журнал IEEE по квантовой электронике . 33 (11): 1935–1941. Бибкод : 1997IJQE...33.1935M . дои : 10.1109/3.641308 .
  17. ^ Ритус, VI (1985). «Квантовые эффекты взаимодействия элементарных частиц с интенсивным электромагнитным полем» . Журнал советских лазерных исследований . 6 (5): 497–617. дои : 10.1007/BF01120220 . ISSN   0270-2010 . S2CID   121183948 .

Дальнейшее чтение [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец оригинального документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 6DA39BE332BBAA1269A516C6767769E8__1715352900
URL1:https://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Compton scattering - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть, любые претензии не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, денежную единицу можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)