Thomson-szórás

Az atomfizikában Thomson-szórás (TS) elektromágneses sugárzásnak szabad részecskén (főleg elektronon) való szóródását jelenti. A Thomson-szórásnak számos felhasználási területe létezik, az asztrofizikában mint plazmadiagnosztikai eszköz. A plazmafizikában máig tart a TS alkalmazhatósági módszereinek vizsgálata, például parametrikus instabilitások folyamatainak tanulmányozása terén.

Fizikai leírása

Relativisztikus nemlineáris Thomson-szórás sematikus ábrája

Adott egy töltött részecskén szóródó elektromágneses hullám, amelynek elektromos és mágneses komponense Lorentz-erőt fejti ki az adott részecskére, melynek mozgási energiát ad át. A sugárzás energiájának egy része az elektron mozgási energiáját növeli, illetve sugárzást bocsát ki. Tekintsünk egy lineárisan polarizált, monokromatikus hullámot, amely adott Q töltésű részecskén szóródik. Ekkor a hullám E komponensének nagysága: $$E=ϵE_0{e}^{i(kr-\omega t)},$$ ahol ε a polarizációs vektor, k a hullámszám-vektor (ahol ke = 0). A folyamatban feltételezzük, hogy a részecske sebessége mindvégig nemrelativisztikus marad, ami feltétlen szükséges ahhoz hogy a Lorentz-erő mágneses komponensétől el tudjunk tekinteni. A töltött részecske mozgásegyenlete: $$\overline{f}=\overline{q}E=m\frac{\partial }{\partial t}s,$$ ahol m a részecsketömeg, s a részecske elmozdulása. A nemrelativisztikus, töltött részecske által egységnyi térszögbe kibocsátott sugárzás energiáját a következő összefüggés adja meg:

Opacitási adatok Thomson- és Rayleigh-szórás esetén a kozmológiai idő függvényében

$$\frac{\partial P}{\partial \mathrm{\Omega }}=\frac{Q^2⟨s^{″}⟩}{16{\pi }^2{ϵ}_0{c}^3}si{n}^2\theta =r_0^{2}si{n}^2\phi ,$$ ahol $r_0=\frac{e^2}{4\pi {ϵ}_{0}m{c}^2}$. A beeső hullám fluxusát az effektív Poynting-vektorból képezhetjük, amely definíciószerűen $S=E\times B$. A fentiekből némi átalakítással eljuthatunk a szórás egy fontos tulajdonságához, nevezetesen a szórási hatáskeresztmetszethez, amelyet a Thomson-szórás esetén Thomson-hatáskeresztmetszetnek neveznek: $$\sigma =\frac{8\pi }{3}{r}_0^2.$$ A Thomson-szórás spektrumának általános képét rendszerint a hőmérséklet és a θ szórási szög határozza meg. Igazolt, hogy alacsony hőmérsékletű Thomson-szórás esetén a spektrális szélesség a hőmérséklet négyzetgyökével arányos: $$\frac{\mathrm{\Delta }{\lambda }_{sz}}{{\lambda }_0}=\frac{2sin(\theta /2)}{c}\sqrt{\frac{2k_b{T}_e}{m_e}}.$$

Források

• Mathews, John D. (1978). „The effect of negative ions on collision-dominated Thomson scattering”. Journal of Geophysical Research 83 (A2), 505. o, Kiadó: Wiley-Blackwell. DOI:10.1029/ja083ia02p00505. (Hozzáférés: 2017. május 21.) 
• Tomassini, Paolo (2008). „Linear and Nonlinear Thomson Scattering for Advanced X-ray Sources in PLASMONX”. IEEE Transactions on Plasma Science 36 (4), 1782–1789. o, Kiadó: Institute of Electrical and Electronics Engineers. DOI:10.1109/tps.2008.927428. (Hozzáférés: 2017. május 21.) 

Kapcsolódó szócikkek

• Rayleigh-szórás
• Szórásdiagram
• Rutherford-kísérlet
• Compton-szórás