Spredning (fysikk)
I fysikk forstås spredning generelt å bety avbøyning av et objekt gjennom interaksjon med et annet lokalt objekt ( spredningssenter ), nærmere bestemt avbøyning av partikkel- eller bølgestråling . Eksempler er spredning av lys på atomer eller fint støv , elektroner på andre elektroner eller nøytroner på atomkjerner .
Styrken til en spredning er indikert med spredningstverrsnittet . Navnet kommer av det faktum at spredningstverrsnittet i den klassiske spredningen av massepunkter på en hard kule er nøyaktig det samme som korsets tverrsnitt .
Det skilles mellom elastisk og uelastisk (eller uelastisk) spredning:
- med elastisk spredning (se også elastisk kollisjon ) er summen av kinetiske energier etter kollisjonen den samme som før
- på På den annen side endres den med uelastisk spredning, for eksempel blir en del av den eksisterende kinetiske energien omdannet til eksitasjonsenergi til et atom eller brukes for eksempel i ioniseringsprosesser for å bryte en binding.
Uelastisk spredning i smalere forstand betyr at den innfallende partikkelen fremdeles er tilstede etter kollisjonen, om enn med redusert energi; I bredere forstand blir absorpsjonsprosesser (prosesser der den innfallende partikkelen "forsvinner") noen ganger regnet blant de uelastiske spredningsprosessene.
Når det gjelder spredning av bølger skilles det også mellom sammenhengende og usammenhengende spredning. Når det gjelder koherent spredning, er det et fast faseforhold mellom den innkommende og den spredte bølgen (se refleksjon ), i tilfelle usammenhengende spredning er det ikke. Hvis sammenhengende stråler er spredt sammenhengende, kan de spredte strålene forstyrre hverandre. Dette er spesielt nyttig for røntgendiffraksjon .
Den teoretiske beskrivelse av spredning er oppgaven med spredningsteori . Eksperimenter i høyenergifysikk blir vanligvis referert til som spredningseksperimenter, selv når z. B. nye partikler oppstår ( dyp uelastisk spredning ). De gir informasjon om formen på samhandlingspotensialet . Ernest Rutherford viste ved kinematiske forhold i spredning av alfapartikler på atomer at disse må inneholde en tung kjerne .
I motsetning til spredning avbøyer diffraksjon stråling på grunn av egenskapen til en bølgefront for å spre seg i alle retninger ved kanten av et hinder. I tilfelle av brytning er avbøyningen av strålingen basert på endringen i forplantningshastigheten med en endring i tettheten eller sammensetningen av forplantningsmediet , tydeligst ved fasegrenser .
Spredningsvinkel, spredning fremover og bakover
Den spredningsvinkelen er vinkelen ved hvilken det spredte partikler avbøyes. Som en fremover spredning blir spredningsprosesser referert til, der det bare er en liten avbøyning (mindre spredningsvinkel). Backscattering eller backscattering refererer til spredningsprosesser med en spredningsvinkel mellom og (se også kinematikk (partikkelpåvirkning) ).
Hvis begge kollisjonspartnerne har en annen masse enn null, blir spredningsvinkelen i tyngdepunktet ofte vurdert i spredningseksperimenter i kjernefysikk og partikkelfysikk . Fra et teoretisk synspunkt er dette viktigere enn spredningsvinkelen i laboratoriesystemet .
I mange tilfeller er den fremre spredningen mye sterkere enn spredningen i andre retninger, så den har et relativt stort differensialtverrsnitt . Et kjent eksempel fra hverdagen er spredning av lys av støvpartikler i luften: Hvis du ser nesten i retning av lyskilden (for eksempel når sollys faller inn i et mørkt rom), kan støvpartiklene være tydelig sett på som lyspunkter. Noe lignende skjer med fine vanndråper.
Spredningen i bakoverretningen ( ) er vanligvis svakere i sammenheng med klassisk fysikk enn i alle andre retninger, men kan være sterkere enn spredningen i nærliggende retninger på grunn av kvantemekaniske effekter eller interferenseffekter . Sammenhengende tilbakespredning er også ansvarlig for fullmåneens høye lysstyrke.
Klassisk spredning
Den klassiske mekanikken skiller kollisjoner mellom stive spredningslegemer på et potensial. For orbitalbevegelse av en punktmasse i et potensial som synker lineært med avstand, er det alltid ligninger som beskriver en konisk seksjon : hyperbola, parabel eller ellips. Et positivt, dvs. frastøtende potensial fører alltid til hyperbola. Attraktive potensialer fører til ellipser hvis energien til kollisjonspartneren ikke er stor nok. Slik sett er kometens bevegelse også spredningen ved solens gravitasjonspotensiale.
Spredning av elektromagnetisk stråling
Ved elementære partikler
- Thomson-spredning : elastisk spredning på kvasi-frie elektroner (begrensningsfall for Compton-spredning for små fotonenergier).
- Compton-spredning : elastisk spredning på kvasi-frie elektroner.
- Spredning av lys-lys : effekt som bare kan forklares i sammenheng med kvanteelektrodynamikk .
I saken
- Rayleigh-spredning : elastisk (ingen energioverføring) elektromagnetisk spredning på gjenstander som er mindre enn bølgelengden, også dipol-spredning
- Ramanspredning : uelastisk spredning på atomer, molekyler eller faste stoffer
- Miespredning : elektromagnetisk spredning på objekter i størrelsesorden av bølgelengden, også Lorenz-Mie-spredning, oppkalt etter den tyske fysikeren Gustav Mie (1868–1957) og den danske fysikeren Ludvig Lorenz (1829–1891), fører til Tyndall effekt
- Phonon Raman-spredning : uelastisk spredning på optiske fononer (gittervibrasjoner i frekvensområdet for synlig lys)
- Brillouinspredning : uelastisk spredning på akustiske fononer (gittervibrasjoner i frekvensområdet for lyd).
Spredning av partikler
- Rutherford-spredning : ladet partikkel på atomkjernen, elastisk
- Mott-spredning : som Rutherford-spredning, men tar spinnet i betraktning
- Nøytronspredning : termisk nøytron på krystall, elastisk eller uelastisk; rask nøytron på atomkjernen, elastisk (se også moderator ) eller uelastisk
- Elektrondiffraksjon : elektron på fast legeme (krystallgitter)
- Møllerspredning : elektron til elektron, dvs. ikke skille partikler
- Bhabha-spredning : elektron på positron, dets antipartikkel
- Dyp uelastisk spredning , for eksempel elektroner på hadroner med høy energi og momentumoverføring, ga informasjon om den interne strukturen til hadronene.
Spredning av elementære partikler er tydelig beskrevet av Feynman-diagrammer . Ved spredning av prosesser eller forfallsprosesser i elementær partikkelfysikk skilles det mellom eksklusive og inkluderende prosesser. Når det gjelder eksklusive prosesser, måles energien og impulsen til alle søppelproduktene; i tilfelle inkluderende prosesser, er dette utelatt for noen søppelprodukter, slik at i stedet for en spesifikk spredningsprosess måles en samling prosesser. Det siste er blant annet tilfelle når noen av søppelproduktene er vanskelige å måle, er man bare interessert i visse søppelprodukter, eller det er for mange søppelprodukter hvis nøyaktige måling ikke er mulig eller for komplisert.
Interaksjon mellom elektromagnetisk stråling og materie
Følgende er en skjematisk fremstilling av samspillet mellom et foton og et atom. De horisontale linjene representerer de diskrete eksitasjonstilstandene til atomet som elektronet vist som et punkt kan okkupere. Bunnlinjen tilsvarer den energiske grunntilstanden.
Thomson-spredning
Thomsonspredning er den sammenhengende interaksjonen med et (kvasi) fritt elektron. Imidlertid endres ikke energien til den spredte fotonen i prosessen.
Compton-spredning
Som Compton-spredning kalles den usammenhengende prosessen, der et foton er spredt på et fritt eller bare svakt bundet elektron . Når elektronet til et atom er spredt, ioniseres det av denne prosessen, og et fotoelektron og et foton med en vinkelavhengig redusert energi sendes ut. Denne spredningen kalles elastisk fordi påvirkningen av bindingsenergien kan neglisjeres, og så er summen av de kinetiske energiene før og etter kollisjonen identisk. For en uelastisk prosess med hensyn til elektronet, må kinetisk energi også konverteres til intern energi, med indre frihetsgrader som eksiteres, noe et elektron ikke har.
Rayleigh-spredning
Spredingsprosessen er sammenhengende, dvs. den opprettholder sammenheng . Energien ( h er Plancks virkningskvantum , frekvensen) til det innfallende fotonet er for liten til å begeistre atomet. Spredningen skjer på bundne elektroner, hvorved energien til den spredte fotonen ikke endres. I det klassiske grense tilfellet, dvs. en stor bølgelengde på fotonet sammenlignet med Bohr-radiusen til atomet, snakker man om Rayleigh-spredning. Et spesielt trekk er at spredningstverrsnittet σ avhenger veldig sterkt av frekvensen og øker proporsjonalt med . En frekvens som er dobbelt så høy er spredt med 2 4 ganger (= 16 ganger) mer, dette er årsaken til himmelen blå og solnedgangen.
Ramanspredning
Når det gjelder Ramanspredning, som er uelastisk i seg selv, observeres et avvik mellom energien til det spredte lyskvantumet og energien til det innfallende lyskvantumet. Energidifferansen er nøyaktig eksitasjonsenergien til en rotasjon eller svingning av molekylet (i første ordens Raman-effekt). Denne energiforskjellen blir gitt til atomet eller absorberes av fotonet. Energien til det spredte fotonet er da (energioverføring til molekylet) eller (energiabsorpsjon fra lyskvanten).
Resonansabsorpsjon, spontan emisjon, fluorescens og fosforesens
Hvis energien til et innkommende foton tilsvarer nøyaktig forskjellen mellom to diskrete energinivåer , absorberes fotonet av atomet (man snakker også om resonansabsorpsjon ). Atomet er da i en opphisset tilstand som kan forfalle gjennom forskjellige kanaler. Følges i løpet av kort tid, utslipp av en foton med lignende frekvens, kalles det fluorescens . Fluorescensfotonens energi kan være lavere enn den utstrålte energien på grunn av ikke-utstrålende avslapningsprosesser i atomet. Levetiden til den eksiterte tilstanden er vanligvis noen få nanosekunder (se fluorescenslevetid ). Hvis oppholdstiden er betydelig lenger enn noen få nanosekunder, snakker man om fosforesens (fosforesensoverganger er ofte spinnforbudte overganger). Vær oppmerksom på at i begge tilfeller har den utsendte og absorberte fotonen ikke et fast faseforhold, så det er en usammenhengende spredningsprosess.
Stimulert utslipp
I tilfelle stimulert utslipp blir et eksisterende eksitert atom begeistret for å avgi et andre, sammenhengende foton av et foton bestrålt med passende energi.
Fotoeffekt
En absorpsjonsprosess der et elektron overtar fotonets fulle energi, er kjent som den fotoelektriske effekten . For dette er en viss bindingsstyrke av elektronet nødvendig av hensyn til kinematikk ; derfor er tverrsnittet for den fotoelektriske effekten størst i det innerste skallet (K-skallet) av tunge atomer.
Dette er faktisk ikke en spredningsprosess, men heller en absorpsjonsprosess, siden det ikke lenger er en spredt foton etterpå. I fotoelektronspektroskopi ser man på de utløste fotoelektronene, og skiller blant annet eksitasjonen med UV- eller røntgenstråling ( UPS eller XPS ).
Flere spredning
Flere spredninger ved flere spredningssentre forekommer for eksempel i røntgendiffraksjon i krystaller med akustiske bølger i porøse medier, lysspredning på vanndråper i skyer eller spredning av stråler av raskere ladede partikler i materie ( Molière-teori , f.eks. Molière radius ).
Resonans spredning
For brønner med lav potensial på størrelse med Compton-bølgelengden , oppstår resonanspredning, som er koherent, men utenfor fase. Faseforskjellen gir informasjon om den potensielle dybden.
litteratur
- Jörn Bleck-Neuhaus: Elementære partikler: moderne fysikk fra atomer til standardmodellen (= Springer lærebok ). Springer, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-85299-5 , kapittel 5.
- Bogdan Povh, Mitja Rosina: Spredning og strukturer: en razzia gjennom kvantefenomener (= nettbibliotek for fysikk og astronomi ). Springer, Berlin Heidelberg New York Hong Kong London Milano Paris Tokyo 2002, ISBN 3-540-42887-9 .