Espalhamento Thomson - Thomson scattering

O espalhamento de Thomson é o espalhamento elástico da radiação eletromagnética por uma partícula carregada livre , conforme descrito pelo eletromagnetismo clássico . É o limite de baixa energia do espalhamento Compton : a energia cinética da partícula e a frequência dos fótons não mudam como resultado do espalhamento. Este limite é válido enquanto a energia do fóton for muito menor do que a energia da massa da partícula:, ou equivalentemente, se o comprimento de onda da luz for muito maior do que o comprimento de onda Compton da partícula (por exemplo, para elétrons, comprimentos de onda maiores que radiografias duras).

Descrição do fenômeno

No limite de baixa energia, o campo elétrico da onda incidente (fóton) acelera a partícula carregada, fazendo com que ela, por sua vez, emita radiação na mesma frequência da onda incidente, e assim a onda é espalhada. O espalhamento de Thomson é um fenômeno importante na física do plasma e foi explicado pela primeira vez pelo físico JJ Thomson . Enquanto o movimento da partícula for não relativístico (isto é, sua velocidade é muito menor que a velocidade da luz), a principal causa da aceleração da partícula será devido ao componente do campo elétrico da onda incidente. Em uma primeira aproximação, a influência do campo magnético pode ser desprezada. A partícula se moverá na direção do campo elétrico oscilante, resultando em radiação dipolo eletromagnética . A partícula em movimento irradia mais fortemente em uma direção perpendicular à sua aceleração e essa radiação será polarizada ao longo da direção de seu movimento. Portanto, dependendo de onde um observador está localizado, a luz espalhada por um elemento de pequeno volume pode parecer mais ou menos polarizada.

Thomson scattering geometry.png

Os campos elétricos da onda de entrada e da onda observada (ou seja, a onda de saída) podem ser divididos naqueles componentes situados no plano de observação (formados pelas ondas observadas e entrantes) e aqueles componentes perpendiculares a esse plano. Esses componentes situados no plano são referidos como "radiais" e aqueles perpendiculares ao plano são "tangenciais". (É difícil fazer com que esses termos pareçam naturais, mas é a terminologia padrão.)

O diagrama à direita mostra o plano de observação. Ele mostra o componente radial do campo elétrico incidente, que faz com que as partículas carregadas no ponto de espalhamento exibam um componente radial de aceleração (isto é, um componente tangente ao plano de observação). Pode-se mostrar que a amplitude da onda observada será proporcional ao cosseno de χ, o ângulo entre a onda incidente e a onda observada. A intensidade, que é o quadrado da amplitude, será então diminuída por um fator de cos 2 (χ). Pode-se observar que as componentes tangenciais (perpendiculares ao plano do diagrama) não serão afetadas desta forma.

O espalhamento é melhor descrito por um coeficiente de emissão que é definido como ε onde ε dt dV dΩ dλ é a energia espalhada por um elemento de volume no tempo dt no ângulo sólido dΩ entre os comprimentos de onda λ e λ + dλ. Do ponto de vista de um observador, existem dois coeficientes de emissão, ε r correspondendo à luz polarizada radialmente e ε t correspondendo à luz polarizada tangencialmente. Para luz incidente não polarizada, eles são dados por:

onde é a densidade das partículas carregadas no ponto de espalhamento, é o fluxo incidente (ou seja, energia / tempo / área / comprimento de onda) e é a seção transversal de Thomson para a partícula carregada, definida abaixo. A energia total irradiada por um elemento de volume no tempo dt entre os comprimentos de onda λ e λ + dλ é encontrada integrando a soma dos coeficientes de emissão em todas as direções (ângulo sólido):

A seção transversal diferencial de Thomson, relacionada à soma dos coeficientes de emissividade, é dada por

expresso em unidades SI ; q é a carga por partícula, m a massa da partícula e uma constante, a permissividade do espaço livre. (Para obter uma expressão em unidades cgs , reduza o fator de 4 π ε 0. ) Integrando sobre o ângulo sólido, obtemos a seção transversal de Thomson

em unidades SI.

A característica importante é que a seção transversal é independente da frequência dos fótons. A seção transversal é proporcional por um fator numérico simples ao quadrado do raio clássico de uma partícula pontual de massa me carga q, a saber

Alternativamente, esta pode ser expressa em termos de , o comprimento de onda de Compton , e a constante de estrutura fina :

Para um elétron, a seção transversal de Thomson é numericamente dada por:

Exemplos de espalhamento Thomson

A radiação cósmica de fundo contém um pequeno componente linearmente polarizado atribuído ao espalhamento de Thomson. Esse componente polarizado que mapeia os chamados modos E foi detectado pela primeira vez pela DASI em 2002.

A K-corona solar é o resultado do espalhamento Thomson da radiação solar dos elétrons coronais solares. A missão ESA e NASA SOHO e a missão NASA STEREO geram imagens tridimensionais da densidade de elétrons ao redor do Sol medindo esta K-corona de três satélites separados.

Em tokamaks , corona de alvos ICF e outros dispositivos de fusão experimental , as temperaturas e densidades de elétrons no plasma podem ser medidas com alta precisão, detectando o efeito de espalhamento Thomson de um feixe de laser de alta intensidade .

O espalhamento Compton inverso pode ser visto como espalhamento de Thomson no quadro de repouso da partícula relativística.

A cristalografia de raios-X é baseada no espalhamento de Thomson.

Veja também

Referências

Johnson WR; Nielsen J .; Cheng KT (2012). "Espalhamento de Thomson na aproximação do átomo médio". Revisão física . 86 (3): 036410. arXiv : 1207.0178 . Bibcode : 2012PhRvE..86c6410J . doi : 10.1103 / PhysRevE.86.036410 . PMID   23031036 . S2CID   10413904 .

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