톰슨 산란

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빛-물질 상호작용
저에너지 현상:
광전 효과
중간 에너지 현상:
톰슨 산란
콤프턴 산란
고에너지 현상:
쌍생성
포토 통합
포토오프레이션
v t

톰슨 산란이란 고전 전자기학에서 설명한 바와 같이 자유 하전 입자에 의한 전자기 복사의 탄성 산란입니다.이것은 콤프턴 산란의 낮은 에너지 한계이다. 입자의 운동 에너지와 광자 주파수는 ^[1]산란의 결과로 변하지 않는다.이 한계는 광자 에너지가 입자의 질량 에너지보다 훨씬 작은 경우 유효하다: $\delta {\displaystyle \delta }$ m ${\displaystyle {}^{}{2\mathrm{}}^{}}$ /$$ \ $displaystyle \nu \ll$ mc$^{2}/h$ 또는 빛의 파장이 입자의 콤프턴 파장보다 훨씬 큰 경우(예: 전자의 경우 하드 X선보다 긴 파장).

현상 설명

저에너지 한계에서는 입사파(광자)의 전계가 하전입자를 가속시켜 입사파와 같은 주파수로 방사선을 방출함으로써 파형이 산란된다.톰슨 산란은 플라즈마 물리학에서 중요한 현상으로 물리학자인 J. J. 톰슨에 의해 처음 설명되었습니다.입자의 움직임이 상대적이지 않은 한(즉, 속도가 빛의 속도보다 훨씬 낮음), 입자의 가속의 주요 원인은 입사파의 전계 성분 때문이다.제1의 근사에서는 자기장의 ^{[citation needed]}영향을 무시할 수 있다.이 입자는 진동하는 전기장 방향으로 움직이며 전자 쌍극자 방사선을 발생시킵니다.움직이는 입자는 가속도에 수직인 방향으로 가장 강하게 방사되며 그 방사선은 운동 방향을 따라 편광됩니다.따라서 관찰자의 위치에 따라 작은 부피 요소에서 산란된 빛이 편광된 것처럼 보일 수 있습니다.

유입 및 관측된 파형의 전기장(즉, 발신파)은 (입파 및 관측파에 의해 형성되는) 관측면에 놓여 있는 구성요소와 해당 평면에 수직인 구성요소로 나눌 수 있다.평면에 놓여 있는 이러한 컴포넌트를 "방사형"이라고 하고 평면에 수직인 컴포넌트를 "접선형"이라고 합니다.(이러한 용어들을 자연스럽게 보이기는 어렵지만 표준 용어입니다.)

오른쪽 다이어그램은 관측 평면을 나타냅니다.이것은 산란점에서 하전된 입자가 가속도의 반경 성분(즉, 관측면에 접하는 성분)을 나타내도록 하는 입사 전계의 반경 성분을 보여준다.관측파의 진폭은 입사파와 관측파 사이의 각도인 코사인 θ에 비례한다는 것을 알 수 있다.진폭의 제곱인 명암은 cos(χ) 계수만큼² 감소합니다.접선 구성요소(도면의 평면에 수직)는 이러한 방식으로 영향을 받지 않음을 알 수 있습니다.

산란은 파장 δ와 δ+d 사이의 시간 dt에서 볼륨 요소 ${\displaystyle \mathrm{dV}}$에 의해 산란된 에너지(\$displaystyle dV)$로 정의되는 방출 계수로 가장 잘 설명됩니다.관찰자의 시점에서 방사편광에 대응하는 θ와_r 접선편광에 대응하는 θ의_t 2개의 발광계수가 있다.편광되지 않은 입사광의 경우 다음과 같이 구한다.

${\displaystyle \varepsilon _{t}=black {3}{16\pi}}}\black _{t}In}$

${\displaystyle \varepsilon _{r}=black {3}{16\pi }}\cos ^{2}\chi } 입력$

$여기$서$$n {\$displaystyle$ n$}$은 산란점의 하전 입자의 $밀도$이고$,$ I {\$displaystyle$ I$}$는 입사 플럭스(에너지/시간/면적/파장)이며, ${\displaystyle {\delta }_{}}$t {\$displaystyle \sigma$ _${t}$는 하전 입자의 톰슨 단면입니다.파장 δ와 δ+d 사이의 시간 dt에서 볼륨 요소 $(\displaystyle dV)$가 방사하는 총 에너지는 모든 방향(고체 각도)에 걸쳐 방출 계수의 합계를 적산하여 구한다.

$\displaystyle \int \varepsilon \d\Omega = \int _{0}^{\pi }d\varphi \int _{0}^{\pi }dchi (\varepsilon _{t}+\varepsilon _{r}\sin \chi =I {\fac {3\pi })=\syslog _{t} 입력.}$

방출률 계수의 합과 관련된 톰슨 미분 단면은 다음과 같이 주어진다.

${{displaystyle {d\cos _{t} {d\Omega }}=\leftfac {q^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}mc^{2}\right}{2}{\frac {1+\cos ^{2}\chi }}}}$

SI 단위로 표현됩니다.q는 입자당 전하, m의 입자 질량, 0$(\$의 상수, 즉 자유 공간의 유전율입니다.(cgs 단위로 표현하려면 4'의₀ 계수를 드롭합니다).입체 각도에 걸쳐 통합하면 톰슨 단면을 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle _{t}=black {8\pi }{3}\leftfrac {q^{2}}{4\pi \varepsilon _{0}mc^{2}}\right)^{2}}$

SI 단위로 표시됩니다.

중요한 특징은 단면이 광자 주파수에 의존하지 않는다는 것이다.단면은 단순한 숫자 인수에 의해 질량 m과 전하 q의 점 입자의 고전적인 반지름의 제곱에 비례한다.

${\displaystyle_{t}=black{8\pi}{3}}r_{e}^2}$

또는 ${\displaystyle {\delta }_{}}$c \$displaystyle \lambda$ _${c$ 콤프턴 파장 및 미세 구조 상수로 나타낼 수 있다.

${\displaystyle _{t}=black {8\pi }{3}\left flac {alpha \blackda _{c}}{2\pi }}\right}{2}$

전자의 경우 Thomson 단면은 다음과 같이 ^[2]계산됩니다.

$\displaystyle \frac {8\pi }{3}}\frac {alpha \hbar c}{mc^{2}\오른쪽}^{2}=6.6524587158\ldots \text{-29}{2}{{\text{2}}{{text}}}}}{{{{text}}}}}}}}}}}}}{{{{{}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}{{{{\fm}}}}}}}}}$

Thomson 산란의 예

우주 마이크로파 배경에는 톰슨 산란에 기인하는 작은 선형 편파 성분이 포함되어 있습니다.이른바 E-모드를 매핑하는 편광 컴포넌트는 2002년 DASI에 의해 처음 검출되었습니다.

태양 K-코로나는 태양 코로나 전자로부터의 태양 복사의 톰슨 산란 결과이다.ESA와 NASA SOHO의 임무와 NASA STEREO의 임무는 세 개의 다른 위성으로부터 이 K-코로나를 측정함으로써 태양 주위의 전자 밀도의 3차원 이미지를 생성한다.

토카막, ICF 타깃의 코로나 및 기타 실험용 핵융합장치에서는 고강도 레이저빔의 톰슨 산란 효과를 검출함으로써 플라즈마 내의 전자온도 및 밀도를 높은 정밀도로 측정할 수 있다.

광자 에너지가 전자 휴지질량보다 훨씬 적은 수냐예프-젤도비치 효과에서 역콤튼 산란은 전자의 ^[3]휴지 프레임에서의 톰슨 산란으로 근사할 수 있다.

X선 결정학은 톰슨 산란을 기반으로 합니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 콤프턴 산란
• 카피차-디락 효과
• 클라인-니시나 공식

레퍼런스

• Billings, Donald E. (1966). A guide to the solar corona. New York: Academic Press. LCCN 66026261.

Johnson W.R.; Nielsen J.; Cheng K.T. (2012). "Thomson scattering in the average-atom approximation". Physical Review. 86 (3): 036410. arXiv:1207.0178. Bibcode:2012PhRvE..86c6410J. doi:10.1103/PhysRevE.86.036410. PMID 23031036. S2CID 10413904.

외부 링크

• 톰슨 산란음
• Thomson 산란: 원리 및 측정