تشتت تومسون

تشتت تومسون في الفيزياء (بالإنجليزية: Thomson scattering) تشتت مرن للفوتونات عند اصتدامها بجسيمات أولية مشحونة ، مثل الإلكترونات الحرة أو شبه الحرة (أي ليست مرتبطة بذرات. أكتشف تلك الظاهرة العالم الفيزيائي جوزيف تومسون .

عندما تقع جسيمات أولية مشحونة تحت تأثير موجة كهرومغناطيسية فإنها يبدأ في الاهتزاز في نفس مستوي المجال الكهربي . ونظرا لأان هذا الهتزاز عبارة عن حركة معجلة فإن الجسيمات تشع في نفس الوقت طاقة في هيئة موجة كهرومغناطيسية لها نفس تردد الشعاع الساقط . وعندئذ يمكن القول أن الشعاع الساقط يتشتت على الجسيم .

ويتم تشتت تومسون بدون رد فعل ، أي بدون انتقال لطاقة من الفوتون الساقط وبين الإلكترون . ويتم ذلك النوع من التشتت عندما تكون طاقة الشعاع الساقط صغيرة ، أي أن تكون طول الموجة للموجة الكهرومغناطيسية أكبر كثيرا من نصف قطر الذرة (مثل الأشعة السينية الضعيفة الطاقة).

أما إذا قصرت طول موجة الشعاع الساقط ، أي تكون طاقته عالية ، فإن التشتت (أو التصادم) على الإلكترون يحدث حركة عكسية للإلكترون يجب أخذه في الحسبان ، ويسمى ذلك النوع من التشتت تشتت كومبتون وهو يحدث لأشعة أكس و أشعة جاما عند تشتتها على الإلكترونات.

معادلات التشتت

يمكن تقسيم المجال المغناطيسي للشعاع الساقط إلى متجهين ، أحدهما في نفس مستوى الشعاع الساقط والرؤية (وهو مستوي الصفحة) ، والآخر عمودي عليه . ونسمي تلك المتجهات التي تقع في مستوي الصفحة بالمتجهات "الشعاعية" ، و العمودية عليها المتجهات "العرضية" ، حيث يظهروا بهذا الشكل للمشاهد.

ويبين الشكل التشتت في مستوي الرؤية . ويبين المتجه الشعاعي للمجال الكهربي الساقط والذي يتسبب في حركة الجسيم المشحون الموجود في نقطة الاصتدام . ويمكن اثبات أن مطال الموجة المشاهدة يتناسب مع جيب تمام χ ، حيث χ هي الزاوية بين الشعاع الساقط والشعاع المشاهد.

وشدة الشعاع ، والتي تحسب بمربع المطال ، تقل متناسبة مع مربع جيب تمام الزاوية ( cos²(χ. على مستوي الصفحة . كما يمكن إثبات أن المتجهات العرضية (العمودية على مستوي الصفحة ) لن تتأثر بل تبقى ثابتة.

ويمكن وصف التشتت بمعامل إصدار ، والذي تعرف بالمعامل ε حيث ε dt dV dΩ dλ هي الطاقة المشتتة من وحدة الحجوم $dV$ خلال الفترة الزمنية dt في الزاوية الصلبة dΩ بين طول الموجة λ و λ+dλ .

ومن وجهة رؤية المشاهد فيوجد معاملان للإصدار ، أولهما ε_r وهو يؤول إلى الضوء المستقطب "شعاعي" والآخر ε_t يؤول إلى الضوء المستقطب "عرضيا". وفي حالة الضوء الساقط الغير مستقطب ، فيعطى المعاملان بالمعادلتين :

$\epsilon _{t}={\frac {\pi \sigma }{2}}~I\,n$

و $\epsilon _{r}={\frac {\pi \sigma }{2}}~I\,n\,\cos ^{2}(\chi )$

حيث:

n كثافة الجسيمات المشحونة عند نقطة التشتت

I الفيض الساقط (ووحدته : طاقة/ثانية/ سنتيمتر مربع / طول الموجة ) ،

σ هي مقطع التصادم التفاضلي للجسيمات المشحونة (وتعريفها: مساحة/زاوية صلبة)

وهي تساوي:

$\sigma \equiv \left({\frac {q^{2}}{mc^{2}}}\right)^{2}=\left({\frac {q^{2}}{4\pi \epsilon _{0}mc^{2}}}\right)^{2}$

حيث أن جزء المعادلة الأول بوحدات نظام وحدات سنتيمتر غرام ثانية ، أما الجزء الثاني من المعادلة فهو بوحدات النظام الدولي SI :

q شحنة الجسيم ،

m كتلة الجسيم ,

$\epsilon _{0}$ ثابت سماحية الفراغ

c سرعة الضوء في الفراغ .

ويلاحظ هنا أن ذلك هو مربع نصف القطر التقليدي لجسيم كتلته mوشحنته q.

وعلى سبيل المثال ، في حالة الإلكترون يكون مقطع التصادم التفاضلي له :

$\sigma =\left({\frac {\alpha \lambda _{e}}{2\pi }}\right)^{2}=\left({\frac {\alpha \hbar }{m_{e}c}}\right)^{2}$

$\sigma =\left({\frac {\alpha \hbar }{m_{e}c}}\right)^{2}$

$\sigma =7.9407875\ldots \times 10^{-26}~{\textrm {cm}}^{2}$

حيث:

$\lambda _{e}$ طول موجة كومبتون للإلكترون .

ويمكن تعيين الطاقة الكلية الصادرة عن طريق إجراء التكامل على مجموع معاملي الإصدار في جميع الاتجاهات ، فنحصل على :

$\int _{0}^{2\pi }d\phi \int _{0}^{\pi }d\chi \left(\epsilon _{t}+\epsilon _{r}\right)\sin \chi =I\,\sigma _{T}\,n$

حيث:

σ_T مقطع الاصتدام الكلي .

• (معنى مقطع تصادم  : إذا تخيلنا أننا سنقوم بقذف بعض حبوب القمح على كرة تنس . فيكون مقطع التصادم لكرة التنس هو مساحة مقطعها (ووحدتها : سنتيمتر مربع ) ، تلك المساحة تستخدم أيضا في فيزياء الجسيمات و الفزياء النووية للتعبير عن مقطع تصادم (فيزياء) أو "مقطع نووي " عند تصادم "نواة الذرة " مع فيض أشعة أو جسيمات مثل الإلكترونات أو النيوترونات . مع ملاحظة أن مقطع التصادم الحقيقي للنواة يختلف كثيرا عن المقطع الهندسي لها ).

• (معنى مقطع التصادم التفاضلي  : عند تصادم جسيمات مع إحدة الذرات تنتشر الجسيمات المشتتة حول النواة في جميع الاتجاهات ، وقد يكون انتشارها متساويا في جميع الاتجاهات ، أو يكون انتشارها غير متساويا عند زوايا معينة ، والمقطع التفاضلي يأخذ توزيع الجسيمات المشتتة على جميع الزوايا في الحسبان.)

اقرأ أيضا

• تشتت كومبتون
• حيود براج
• حيود النيوترونات
• مثنوية جسيم-موجة
• قانون براج
• حيود
• مقطع تصادم (فيزياء)
• مقطع نووي