Dispersión de Thomson - Thomson scattering

La dispersión de Thomson es la dispersión elástica de la radiación electromagnética por una partícula cargada libre , como la describe el electromagnetismo clásico . Es el límite de baja energía de la dispersión de Compton : la energía cinética de la partícula y la frecuencia de los fotones no cambian como resultado de la dispersión. Este límite es válido siempre que la energía del fotón sea ​​mucho menor que la energía de la masa de la partícula:, o de manera equivalente, si la longitud de onda de la luz es mucho mayor que la longitud de onda de Compton de la partícula (por ejemplo, para electrones, longitudes de onda más largas que radiografías duras).

Descripción del fenómeno

En el límite de baja energía, el campo eléctrico de la onda incidente (fotón) acelera la partícula cargada, provocando que, a su vez, emita radiación a la misma frecuencia que la onda incidente y, por tanto, la onda se dispersa. La dispersión de Thomson es un fenómeno importante en la física del plasma y fue explicado por primera vez por el físico JJ Thomson . Siempre que el movimiento de la partícula no sea relativista (es decir, su velocidad es mucho menor que la velocidad de la luz), la principal causa de la aceleración de la partícula será la componente del campo eléctrico de la onda incidente. En una primera aproximación, se puede despreciar la influencia del campo magnético. La partícula se moverá en la dirección del campo eléctrico oscilante, lo que dará como resultado una radiación dipolo electromagnética . La partícula en movimiento irradia con más fuerza en una dirección perpendicular a su aceleración y esa radiación se polarizará a lo largo de la dirección de su movimiento. Por lo tanto, dependiendo de dónde se encuentre el observador, la luz dispersada desde un elemento de pequeño volumen puede parecer más o menos polarizada.

Geometría de dispersión de Thomson.png

Los campos eléctricos de la onda entrante y observada (es decir, la onda saliente) se pueden dividir en los componentes que se encuentran en el plano de observación (formados por las ondas entrante y observada) y los componentes perpendiculares a ese plano. Los componentes que se encuentran en el plano se denominan "radiales" y los perpendiculares al plano son "tangenciales". (Es difícil hacer que estos términos parezcan naturales, pero es terminología estándar).

El diagrama de la derecha representa el plano de observación. Muestra la componente radial del campo eléctrico incidente, que hace que las partículas cargadas en el punto de dispersión exhiban una componente radial de aceleración (es decir, una componente tangente al plano de observación). Se puede demostrar que la amplitud de la onda observada será proporcional al coseno de χ, el ángulo entre las ondas incidente y observada. La intensidad, que es el cuadrado de la amplitud, disminuirá entonces en un factor de cos 2 (χ). Se puede ver que las componentes tangenciales (perpendiculares al plano del diagrama) no se verán afectadas de esta forma.

La dispersión se describe mejor mediante un coeficiente de emisión que se define como ε donde ε dt dV dΩ dλ es la energía dispersada por un elemento de volumen en el tiempo dt en un ángulo sólido dΩ entre las longitudes de onda λ y λ + dλ. Desde el punto de vista de un observador, hay dos coeficientes de emisión, ε r correspondiente a luz polarizada radialmente y ε t correspondiente a luz polarizada tangencialmente. Para la luz incidente no polarizada, estos vienen dados por:

donde es la densidad de las partículas cargadas en el punto de dispersión, es el flujo incidente (es decir, energía / tiempo / área / longitud de onda) y es la sección transversal de Thomson para la partícula cargada, definida a continuación. La energía total irradiada por un elemento de volumen en el tiempo dt entre las longitudes de onda λ y λ + dλ se calcula integrando la suma de los coeficientes de emisión en todas las direcciones (ángulo sólido):

La sección transversal diferencial de Thomson, relacionada con la suma de los coeficientes de emisividad, está dada por

expresado en unidades SI ; q es la carga por partícula, m la masa de la partícula y una constante, la permitividad del espacio libre. (Para obtener una expresión en unidades cgs , elimine el factor de 4 π ε 0. ) Integrando sobre el ángulo sólido, obtenemos la sección transversal de Thomson

en unidades SI.

La característica importante es que la sección transversal es independiente de la frecuencia de los fotones. La sección transversal es proporcional por un factor numérico simple al cuadrado del radio clásico de una partícula puntual de masa my carga q, a saber

Alternativamente, esto se puede expresar en términos de la longitud de onda de Compton y la constante de estructura fina :

Para un electrón, la sección transversal de Thomson viene dada numéricamente por:

Ejemplos de dispersión de Thomson

El fondo cósmico de microondas contiene un pequeño componente polarizado linealmente atribuido a la dispersión de Thomson. Ese componente polarizado que mapea los llamados modos E fue detectado por primera vez por DASI en 2002.

La corona solar K es el resultado de la dispersión de radiación solar de Thomson de los electrones coronales solares. La misión SOHO de la ESA y la NASA y la misión STEREO de la NASA generan imágenes tridimensionales de la densidad de electrones alrededor del sol midiendo esta corona K de tres satélites separados.

En tokamaks , corona de objetivos ICF y otros dispositivos de fusión experimentales , las temperaturas y densidades de los electrones en el plasma se pueden medir con alta precisión detectando el efecto de la dispersión de Thomson de un rayo láser de alta intensidad .

La dispersión de Compton inversa se puede ver como la dispersión de Thomson en el marco de reposo de la partícula relativista.

La cristalografía de rayos X se basa en la dispersión de Thomson.

Ver también

Referencias

Johnson WR; Nielsen J .; Cheng KT (2012). "Dispersión de Thomson en la aproximación de átomo promedio". Revisión física . 86 (3): 036410. arXiv : 1207.0178 . Código Bibliográfico : 2012PhRvE..86c6410J . doi : 10.1103 / PhysRevE.86.036410 . PMID   23031036 . S2CID   10413904 .

enlaces externos