Spredning (fysik)

I fysik, er spredning forstås normalt afbøjningen af et objekt gennem interaktion med et andet lokalt objekt ( spredende centre ), mere specifikt afbøjningen af partikel eller bølge stråling . Eksempler er spredning af lys på atomer eller fint støv , elektroner på andre elektroner eller neutroner på atomkerner .

Spredningsstyrken angives ved spredningstværsnittet . Navnet stammer fra, at spredningstværsnittet i den klassiske spredning af massepunkter på en hård kugle er nøjagtig det samme som kuglens tværsnit .

Der skelnes mellem elastisk og uelastisk (eller uelastisk) spredning:

med elastisk spredning (se også elastisk kollision ) er summen af de kinetiske energier efter kollisionen den samme som før
på På den anden side ændres det med uelastisk spredning, for eksempel omdannes en del af den eksisterende kinetiske energi til excitationsenergi i et atom eller bruges, for eksempel i ioniseringsprocesser , til at bryde en binding.

Uelastisk spredning i snævrere betydning betyder, at den indfaldende partikel stadig er til stede efter kollisionen, omend med reduceret energi; I en bredere forstand tælles absorptionsprocesser (processer, hvor den indfaldende partikel "forsvinder") undertiden blandt de uelastiske spredningsprocesser.

Når det kommer til spredning af bølger, skelnes der også mellem sammenhængende og usammenhængende spredning. I tilfælde af sammenhængende spredning er der et fastfaseforhold mellem den indkommende og den spredte bølge (se refleksion ), i tilfælde af usammenhængende spredning er der ikke. Hvis kohærente stråler er spredt kohærent, kan de spredte stråler forstyrre hinanden. Dette er især nyttigt til røntgendiffraktion .

Den teoretiske beskrivelse af spredning er en opgave for spredning teori . Eksperimenter inden for højenergifysik omtales generelt som spredningseksperimenter, selv når det er sådan. B. nye partikler opstår ( dyb uelastisk spredning ). De giver information om formen på interaktionspotentialet . Ernest Rutherford viste ved hjælp af kinematiske forhold ved spredning af alfapartikler på atomer, at disse skal indeholde en tung kerne .

I modsætning til spredning er diffraktion en afbøjning af stråling på grund af bølgefrontens egenskab, der spredes i alle retninger ved kanten af en forhindring. I tilfælde af brydning er afbøjningen af strålingen baseret på ændringen i forplantningshastigheden med en ændring i densiteten eller sammensætningen af formeringsmediet , tydeligst ved fasegrænser .

Spred vinkel, frem og tilbage spredning

Spredningsvinklen $\theta$ ${\ displaystyle \ theta}$ $\ theta$ er den vinkel, hvormed den spredte partikel afbøjes. Fremadspredning refererer til spredningsprocesser, hvor der kun er en lille afbøjning (lille spredningsvinkel). Backscattering eller backscattering refererer til spredningsprocesser med en spredningsvinkel imellem $90^{\circ }$ ${\ displaystyle 90 ^ {\ circ}}$ $90 ^ {\ circ}$ og $180^{\circ }$ ${\ displaystyle 180 ^ {\ circ}}$ $180 ^ {\ circ}$ (se også kinematik (partikelpåvirkning) ).

Hvis begge kollisionspartnere har en anden masse end nul, betragtes spredningsvinklen i tyngdepunktet ofte i spredningsforsøg inden for atom- og partikelfysik . Fra et teoretisk synspunkt er dette vigtigere end spredningsvinklen i laboratoriesystemet .

I mange tilfælde er den fremadrettede spredning meget stærkere end spredningen i andre retninger, så den har et forholdsvis stort differentialtværsnit . Et velkendt eksempel fra dagligdagen er spredning af lys med støvpartikler i luften: Hvis du ser næsten i lyskildens retning (f.eks. Når sollys falder ned i et mørkt rum), kan støvpartiklerne være tydelige ses som lyspunkter. Noget lignende sker med fine vanddråber.

Den tilbagestående spredning ( $\theta =180^{\circ }$ ${\ displaystyle \ theta = 180 ^ {\ circ}}$ ${\ displaystyle \ theta = 180 ^ {\ circ}}$ ) er normalt svagere i forbindelse med klassisk fysik end i alle andre retninger, men kan være stærkere end spredningen i nærliggende retninger på grund af kvantemekaniske effekter eller interferenseffekter . Sammenhængende tilbagespredning er også ansvarlig for fuldmånens høje lysstyrke.

Klassisk pålæg

Klassisk mekanik adskiller påvirkninger mellem stive kroppe fra spredning ved et potentiale. For orbital bevægelse af en punktmasse i et potentiale, der falder lineært med afstanden, er der altid ligninger, der beskriver et keglesnit : hyperbola, parabel eller ellipse. Et positivt, dvs. frastødende, potentiale fører altid til hyperboler. Attraktive potentialer fører til ellipser, hvis kollisionspartnerens energi ikke er stor nok. I denne forstand er en komets bevægelse også spredningen ved solens tyngdepotentiale.

Spredning af elektromagnetisk stråling

Ved elementære partikler

Thomson-spredning : elastisk spredning på kvasi-frie elektroner (grænsetilfælde af Compton-spredning for små foton-energier).
Compton-spredning : elastisk spredning på kvasi-frie elektroner.
Lys-lys spredning : effekt, der kun kan forklares i forbindelse med kvanteelektrodynamik .

I sagen

Rayleigh -spredning : elastisk (ingen energioverførsel) elektromagnetisk spredning på objekter, der er mindre end deres bølgelængde, også dipolspredning
Ramanspredning : uelastisk spredning på atomer, molekyler eller faste stoffer
Mie-spredning : elektromagnetisk spredning på objekter i størrelsesordenen af bølgelængden, også Lorenz-Mie-spredning, opkaldt efter den tyske fysiker Gustav Mie (1868-1957) og den danske fysiker Ludvig Lorenz (1829-1891), fører til Tyndall effekt
Phonon Raman -spredning : uelastisk spredning på optiske fononer (gittervibrationer i frekvensområdet for synligt lys)
Brillouinspredning : uelastisk spredning fra akustiske fononer (gittervibrationer i lydens frekvensområde).

Spredning af partikler

Rutherford -spredning : ladet partikel på atomkernen, elastisk
Mott -spredning : som Rutherford -spredning, men under hensyntagen til spin
Neutronspredning : termisk neutron på krystal, elastisk eller uelastisk; hurtig neutron på atomkernen, elastisk (se også moderator ) eller uelastisk
Elektrondiffraktion : elektron på fast legeme (krystalgitter)
Møller -spredning : elektron til elektron, dvs. partikler, der ikke kan skelnes
Bhabha -spredning : elektron på positron, dens antipartikel
Dyb uelastisk spredning , for eksempel elektroner på hadroner med høj energi og momentumoverførsler, gav information om hadronernes indre struktur.

Spredning af elementarpartikler er klart beskrevet af Feynman -diagrammer . Med spredningsprocesser eller forfaldsprocesser inden for elementær partikelfysik skelnes der mellem eksklusive og inkluderende processer. I tilfælde af eksklusive processer måles energien og momentumet i alle spredningsprodukter; i tilfælde af inkluderende processer udelades dette for nogle spredningsprodukter, så i stedet for en specifik spredningsproces måles et kollektiv af processer. Det sidste er blandt andet tilfældet, når nogle af affaldsprodukterne er svære at måle, man kun er interesseret i visse affaldsprodukter, eller der er for mange affaldsprodukter, hvis præcise måling ikke er mulig eller for kompleks.

Interaktion mellem elektromagnetisk stråling og stof

Elastisk spredning

Uelastisk spredning

Compton spredning

Det følgende er en skematisk fremstilling af vekselvirkningen mellem en foton og et atom. De vandrette linjer repræsenterer atomets diskrete excitationstilstande, som elektronen vist som et punkt kan indtage. Bundlinjen svarer til den energiske grundtilstand.

Thomson spredning

Thomson -spredning er den sammenhængende interaktion med en (kvasi) fri elektron. Imidlertid ændres energien fra den spredte foton ikke i processen.

Compton spredning

Compton -spredning er udtrykket, der bruges til at beskrive den usammenhængende proces, hvor en foton spredes af en fri eller svagt bundet elektron $E_{Bindung}<<E_{h\nu }$ ${\ displaystyle E_ {Binding} << E_ {h \ nu}}$ ${\ displaystyle E_ {Binding} << E_ {h \ nu}}$ . Når elektronen i et atom er spredt, ioniseres det ved denne proces, og en fotoelektron og en foton med en vinkelafhængig reduceret energi udsendes. Denne spredning kaldes elastisk, fordi bindingsenergiens indflydelse kan negligeres, og derfor er summen af de kinetiske energier før og efter kollisionen identisk. For en uelastisk proces med hensyn til elektronen ville kinetisk energi også skulle konverteres til intern energi, idet interne frihedsgrader blev spændt, hvilket en elektron ikke har.

Rayleigh spredning

Spredningsprocessen er kohærent, dvs. den opretholder sammenhæng . Energien $E=h\nu$ ${\ displaystyle E = h \ nu}$ $E = h \ nu$ ( h er Plancks handlingskvantum , $\nu$ ${\ displaystyle \ nu}$ $\ nu$ frekvensen) af den indfaldende foton er for lille til at ophidse atomet. Spredningen finder sted på bundne elektroner, hvorved energien fra den spredte foton ikke ændres. I det klassiske grænsetilfælde, dvs. en stor bølgelængde af fotonet i forhold til atomets Bohr -radius, taler man om Rayleigh -spredning. Et særligt træk er, at spredningstværsnittet σ afhænger meget stærkt af frekvensen og er proportional med $\nu ^{4}$ ${\ displaystyle \ nu ^ {4}}$ $\ nu ^ 4$ stiger. En frekvens, der er dobbelt så høj, er spredt 2 ⁴ gange (= 16 gange) mere, dette er årsagen til himlen blå og solnedgangen.

Raman spredning

I tilfælde af Raman -spredning, som er uelastisk i sig selv, observeres en uoverensstemmelse mellem energien i det spredte lyskvante og energien $E=h\nu$ ${\ displaystyle E = h \ nu}$ $E = h \ nu$ af den indfaldende lyskvante. Energiforskellen er netop excitationsenergien $\Delta E$ ${\ displaystyle \ Delta E}$ $\ Delta E$ en rotation eller svingning af molekylet (i første ordens Raman-effekt). Denne energiforskel afgives til atomet eller absorberes af foton. Energien i den spredte foton er derefter $h\nu -\Delta E$ ${\ displaystyle h \ nu - \ Delta E}$ $h \ nu - \ Delta E$ (Energioverførsel til molekylet) eller $h\nu +\Delta E$ ${\ displaystyle h \ nu + \ Delta E}$ $h \ nu + \ Delta E$ (Energiabsorbering fra lyskvanten).

Resonansabsorption, spontan emission, fluorescens og phosphorescens

Svarer energien fra en indkommende foton nøjagtigt til forskellen mellem to diskrete energiniveauer $\Delta E$ ${\ displaystyle \ Delta E}$ $\ Delta E$ , så foton absorberes af atomet (man taler også om resonansabsorbering ). Atomet er derefter i en ophidset tilstand, der kan henfalde gennem forskellige kanaler. Følges inden for kort tid, emissionen af en foton med lignende frekvens, det kaldes fluorescens . Fluorescensfotonens energi kan være lavere end den udstrålede energi på grund af ikke-strålende afslapningsprocesser i atomet. Levetiden for de ophidsede tilstande er typisk et par nanosekunder (se fluorescenslevetid ). Hvis opholdstiden er betydeligt længere end et par nanosekunder, taler man om phosphorescens (phosphorescensovergange er ofte spin-forbudte overgange). Bemærk, at den udsendte og absorberede foton i begge tilfælde ikke har et fastfaseforhold, så det er en usammenhængende spredningsproces.

Stimuleret emission

stimuleret emission

I tilfælde af stimuleret emission er et eksisterende ophidset atom spændt på at udsende en anden, sammenhængende foton af en foton bestrålet med den passende energi.

Fotoeffekt

En absorptionsproces, hvor en elektron overtager fotonens fulde energi, er kendt som den fotoelektriske effekt . Til dette er en vis bindingsstyrke for elektronen nødvendig af kinematiske årsager; derfor er tværsnittet for den fotoelektriske effekt størst i den inderste skal (K-skal) af tunge atomer.

Dette er faktisk ikke en spredningsproces, men snarere en absorptionsproces, da der ikke længere er en spredt foton bagefter. I fotoelektronspektroskopi ser man på de frigivne fotoelektroner, hvorved man blandt andet differentierer excitationen med UV eller røntgenstråler ( UPS eller XPS ).

Flere spredning

Flere spredning på flere spredningscentre forekommer f.eks. Ved røntgendiffraktion i krystaller med akustiske bølger i porøse medier, lysspredning på vanddråber i skyer eller spredning af stråler af hurtigere ladede partikler i stof ( Molière-teori , f.eks. Molière radius ).

Resonansspredning

For brønde med lav potentiale af størrelsen af Compton -bølgelængden forekommer resonansspredning, som er sammenhængende, men ude af fase. Faseforskellen giver information om den potentielle dybde.

litteratur

Jörn Bleck-Neuhaus: Elementarpartikler: moderne fysik fra atomer til standardmodellen (= Springer-lærebog ). Springer, Berlin / Heidelberg 2010, ISBN 978-3-540-85299-5 , kapitel 5.
Bogdan Povh, Mitja Rosina: Spredning og strukturer: et angreb gennem kvantefænomener (= Fysik og astronomi online bibliotek ). Springer, Berlin Heidelberg New York Hong Kong London Milano Paris Tokyo 2002, ISBN 3-540-42887-9 .