Szórás (fizika)

A fizika, szórás általában azt értjük, hogy eltérítését egy tárgy kölcsönhatás révén egy másik helyi objektum ( szórási centrum ), pontosabban a alakváltozását részecske vagy hullám sugárzást . Ilyenek például a fény szórása az atomokon vagy a finom por , az elektronok más elektronokon vagy a neutronok az atommagokon .

A szórás erősségét a szórási keresztmetszet jelzi . A név onnan származik, hogy a tömegpontok klasszikus szórásában a kemény gömbön a szórási keresztmetszet pontosan megegyezik a gömb keresztmetszetével .

Megkülönböztetünk rugalmas és rugalmatlan (vagy rugalmatlan) szórást:

• rugalmas szórással (lásd még a rugalmas ütközést is ) az ütközés után a kinetikus energiák összege megegyezik az előzővel
• nál nél Másrészt rugalmatlan szórással változik, például a meglévő kinetikus energia egy része átalakul egy atom gerjesztő energiájává, vagy például ionizációs folyamatokban felhasználható egy kötés megszakítására.

A szűkebb értelemben vett rugalmatlan szórás azt jelenti, hogy a beeső részecske az ütközés után is jelen van, bár csökkentett energiával; Tágabb értelemben az abszorpciós folyamatokat (azokat a folyamatokat, amelyekben a beeső részecske "eltűnik") néha a rugalmatlan szórási folyamatok közé soroljuk.

A hullámok szóródása esetén megkülönböztetünk koherens és koherens szórást is. Koherens szórás esetén a bejövő és a szórt hullám között rögzített fáziskapcsolat van (lásd reflexió ), inkoherens szórás esetén nincs. Ha a koherens sugarak koherensen szétszóródnak, a szórt sugarak zavarhatják egymást. Ez különösen hasznos röntgendiffrakció esetén .

Az elméleti leírása szórás a feladata szórás elmélet . A nagyenergiás fizika kísérleteit általában szórási kísérleteknek nevezzük, még akkor is, ha z. B. új részecskék keletkeznek ( mély rugalmatlan szóródás ). Információt nyújtanak az interakciós potenciál alakjáról . Ernest Rutherford kimutatta útján kinematikai kapcsolatok a szóródása alfa-részecskék a atomok , hogy ezek kell tartalmaznia egy nehéz mag .

A szórással ellentétben a diffrakció eltéríti a sugárzást, mivel a hullámfront az akadály szélén minden irányban terjed. Abban az esetben, fénytörés , a lehajlás a sugárzás változása alapján a terjedési sebessége a változás a sűrűségét, vagy az összetétele a terjedési közeg , a legvilágosabban a fázishatár .

Szórási szög, előre és hátra szórás

A szórási szög  az a szög, amellyel a szétszórt részecske elhajlik. Ennek előreszórás szórási folyamatokat említett, ahol csak egy kis elhajlás (kevesebb szórási szög). A visszaszórás vagy a visszaszóródás olyan szórási folyamatokra utal, amelyek között szórási szög van és (lásd még a kinematikát (részecske becsapódása) ). ${\ displaystyle \ theta}$${\ displaystyle 90 ^ {\ circ}}$${\ displaystyle 180 ^ {\ circ}}$

Ha mindkét ütközési partner tömege nem nulla, akkor a súlypontban lévő szórási szöget gyakran figyelembe veszik a mag- és a részecskefizika szórási kísérleteiben . Elméleti szempontból ez fontosabb, mint a szórási szög a laboratóriumi rendszerben .

Sok esetben az előre szórás sokkal erősebb, mint a más irányú szórás, ezért viszonylag nagy a keresztmetszete . A mindennapi életből jól ismert példa a fény porszóródások általi szórása a levegőben: Ha szinte a fényforrás irányába nézünk (például amikor a napfény sötét helyiségbe esik), akkor a porszemcsék egyértelműen fényes pontként tekintenek rá. Valami hasonló történik a finom vízcseppekkel.

A visszafelé irányuló szórás ( ) a klasszikus fizika kontextusában általában gyengébb, mint minden más irányban, de kvantummechanikai vagy interferenciahatások miatt erősebb lehet a szomszédos irányú szórásnál . A telihold nagy fényerejéért a koherens visszaszórás is felelős. ${\ displaystyle \ theta = 180 ^ {\ circ}}$

Klasszikus terjedés

A klasszikus mechanika különbözik a szórás merev testei közötti ütközéstől egy potenciálnál. A távolsággal lineárisan csökkenő potenciálban lévő ponttömeg keringési mozgásához mindig vannak olyan egyenletek, amelyek kúpos metszetet írnak le : hiperbola, parabola vagy ellipszis. A pozitív, azaz visszataszító potenciál mindig hiperbolákhoz vezet. A vonzó potenciál ellipszishez vezet, ha az ütközési partner energiája nem elég nagy. Ebben az értelemben az üstökös mozgása a nap gravitációs potenciáljának szóródása is.

Elektromágneses sugárzás szórása

Elemi részecskéknél

• Thomson-szórás : rugalmas szórás kvázi mentes elektronokon (Compton-szórás határértéke kis fotonenergiák esetén).
• Compton-szórás : rugalmas szórás kvázi mentes elektronokon.
• Fény-fény szórás : olyan hatás, amely csak a kvantumelektrodinamika összefüggésében magyarázható.

Anyagban

• Rayleigh-szórás : rugalmas (nincs energiaátadás) elektromágneses szórás a hullámhosszuknál kisebb tárgyakon, továbbá dipólus-szórás
• Raman-szórás : rugalmatlan szórás atomokon, molekulákon vagy szilárd anyagokon
• Mie szórás : elektromágneses szóródás a tárgyakat a nagyságrendben a hullámhossz is Lorenz-Mie szórás után elnevezett német fizikus Gustav Mie (1868-1957) és a dán fizikus Ludvig Lorenz (1829-1891), vezet a Tyndall hatás
• Phonon Raman szórás : rugalmatlan szórás optikai fononokon (rács rezgései a látható fény frekvenciatartományában)
• Brillouin-szórás : rugalmatlan szórás az akusztikus fononokon (rács rezgései a hang frekvenciatartományában).

A részecskék szétszóródása

• Rutherford-szórás : töltött atommag részecske, rugalmas
• Mott szórás : mint Rutherford szórás, de figyelembe véve a pörgést
• Neutronszórás : termikus neutron kristályon, elasztikus vagy rugalmatlan; gyors neutron az atommagban, rugalmas (lásd még moderátor ) vagy rugalmatlan
• Elektrondiffrakció : elektron szilárd testen (kristályrács)
• Møller-szórás : elektron-elektron, azaz megkülönböztethetetlen részecskék
• Bhabha-szórás : elektron a pozitronon, annak antirészecskéjén
• Mély rugalmatlan szórás , például elektronok nagy energiájú és lendületátadási hadronokon , információkat szolgáltattak a hadronok belső szerkezetéről.

Az elemi részecskék szóródását Feynman-diagramok világosan leírják . Szétszóródási folyamatok vagy bomlási folyamatok esetén az elemi részecskefizikában különbséget tesznek exkluzív és inkluzív folyamatok között. Kizárólagos folyamatok esetén az összes alomtermék energiáját és impulzusát mérik, inkluzív folyamatoknál ez egyes alomtermékeknél elmarad, így egy meghatározott szórási folyamat helyett folyamatok csoportját mérik. Ez utóbbi egyebek között akkor fordul elő, amikor az alomtermékek egy részét nehéz megmérni, csak bizonyos alomtermékek érdekelnek, vagy túl sok olyan alomtermék van, amelyek pontos mérése nem lehetséges vagy túl összetett.

Az elektromágneses sugárzás és az anyag kölcsönhatása

Az alábbiakban a foton és az atom kölcsönhatásának sematikus ábrázolása látható. A vízszintes vonalak az atom diszkrét gerjesztési állapotait képviselik, amelyet a pontként bemutatott elektron elfoglalhat. A lényeg az energetikai alapállapotnak felel meg.

Thomson szétszórt

A Thomson-szórás a (kvázi) szabad elektronnal való koherens kölcsönhatás. A szétszórt foton energiája azonban nem változik a folyamat során.

Compton-szórás

Mivel a Compton-szórást inkoherens folyamatnak nevezik, amelynek során egy foton egy szabad vagy csak gyengén kötött elektronra szóródik . Amikor egy atom elektronja szétszóródik, ezt a folyamatot ionizálják, és egy fotoelektront és egy szögetől függő csökkentett energiájú fotont bocsátanak ki. Ezt a szórást azért nevezzük rugalmasnak, mert a kötési energia hatása elhanyagolható, így az ütközés előtti és utáni mozgási energiák összege azonos. Az elektronra vonatkozó rugalmatlan folyamathoz a mozgási energiát is belső energiává kell alakítani, gerjesztve a belső szabadság fokát, ami az elektronnak nincs. ${\ displaystyle E_ {Kötés} << E_ {h \ nu}}$

Rayleigh szétszórva

A szórási folyamat koherens, azaz fenntartja a koherenciát . A  beeső foton energiája ( h  Planck cselekvési kvantuma , frekvenciája) túl kicsi az atom gerjesztéséhez. A szóródás kötött elektronokon megy végbe, ezáltal a szórt foton energiája nem változik. A klasszikus határesetben, vagyis a foton nagy hullámhossza az atom Bohr-sugárához képest Rayleigh-szóródásról beszél. Különlegesség, hogy a  σ szórási keresztmetszet nagyon erősen függ a frekvenciától és azzal arányosan növekszik . A kétszer olyan magas frekvenciát 2 ^4- szer (= 16-szor) szétszórja, ez az égkék és a naplemente oka. ${\ displaystyle E = h \ nu}$${\ displaystyle \ nu}$${\ displaystyle \ nu ^ {4}}$

Raman szétszórt

A Raman-szórás esetében, amely önmagában rugalmatlan, eltérés figyelhető meg a szórt fénykvantum energiája és a beeső fénykvantum energiája között . Az energiakülönbség pontosan a molekula forgásának vagy oszcillációjának gerjesztési energiája (első rendű Raman-effektus). Ezt az energiakülönbséget az atom adja, vagy a foton elnyeli. A szétszórt foton energiája ekkor (energiaátadás a molekulába) vagy (energiaabszorpció a fénykvantumból). ${\ displaystyle E = h \ nu}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu - \ Delta E}$${\ displaystyle h \ nu + \ Delta E}$

Rezonanciaabszorpció, spontán emisszió, fluoreszcencia és foszforeszcencia

Ha egy bejövő foton energiája pontosan megfelel két diszkrét energiaszint különbségének , akkor a fotont az atom elnyeli (az egyik a rezonanciaelnyelésről is beszél ). Az atom ekkor gerjesztett állapotban van, amely különféle csatornákon keresztül képes lebomlani. Rövid időn belül követik egy hasonló frekvenciájú foton emisszióját , ezt fluoreszcenciának nevezzük . A fluoreszcens foton energiája alacsonyabb lehet, mint a sugárzott energia, az atom nem sugárzó relaxációs folyamatai miatt. A gerjesztett állapot (ok) élettartama általában néhány nanoszekundum (lásd a fluoreszcencia élettartamát ). Ha a várakozási idő lényegesen hosszabb, mint néhány nanoszekundum, akkor foszforeszcenciáról beszélünk (a foszforeszcencia átmenetek gyakran spin-tiltott átmenetek). Megjegyezzük, hogy mindkét esetben a kibocsátott és az abszorbeált fotonnak nincs fix fáziskapcsolata, ezért összefüggéstelen szóródási folyamatról van szó. ${\ displaystyle \ Delta E}$

Stimulált kibocsátás

Abban az esetben, stimulált emisszió , egy meglévő gerjesztett atom izgatott, hogy bocsát ki egy második, koherens foton egy foton által besugárzott a megfelelő energia.

Fotóhatás

Abszorpciós folyamat, amelyben egy elektron átveszi a foton teljes energiáját, fotoelektromos hatásnak nevezik . Ehhez kinetikai okokból szükséges az elektron bizonyos kötési erőssége ; ezért a fotoelektromos hatás keresztmetszete a nehéz atomok legbelső héjában (K-héjában) a legnagyobb.

Ez valójában nem szétszóródási folyamat, sokkal inkább abszorpciós folyamat, mivel utána már nincs szétszórt foton. A fotoelektron-spektroszkópiában a kiváltott fotoelektronokat nézzük, megkülönböztetve többek között az UV- vagy röntgensugárzással ( UPS vagy XPS ) gerjesztést .

Többszörös szórás

Többszörös szétszóródás több szóródási központban fordul elő például kristályok röntgendiffrakciójában , akusztikus hullámokkal porózus közegben, fényszóródással a vízcseppeken felhőkben vagy gyorsabban töltött részecskék sugarainak szétszóródásával az anyagban ( Molière-elmélet , pl. Molière sugár ).

Rezonanciaszórás

A Compton hullámhosszúságú kis potenciálú kutaknál rezonáns szóródás következik be, amely koherens, de fázis nélküli. A fáziskülönbség információt nyújt a potenciális mélységről.

irodalom

• Jörn Bleck-Neuhaus: Elemi részecskék: modern fizika az atomoktól a standard modellig (=  Springer tankönyv ). Springer, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-85299-5 , 5. fejezet. 
• Bogdan Povh, Mitja Rosina: Szóródás és struktúrák: előrelépés a kvantumjelenségeken (=  Fizika és csillagászat online könyvtár ). Springer, Berlin Heidelberg New York Hong Kong London Milánó Párizs Tokió 2002, ISBN 3-540-42887-9 .