Сечение томсоновского рассеяния: свободные электроны против атомов

По определению , томсоновское рассеяние — это упругое рассеяние света свободной заряженной частицей. Атомы нельзя описать как таковые, но электроны в атоме могут приближаться к свободным электронам, если их энергия связи намного ниже энергии фотона. Это может быть верно для длин волн рентгеновского излучения, хотя, если энергия фотона становится слишком высокой, упругое рассеяние не происходит, и вместо этого вам придется учитывать комптоновское рассеяние.

Сечение томсоновского рассеяния на атоме с$f$раз больше сечения рассеяния на свободном электроне, где$f$- эффективное число свободных электронов в атоме. Вкладом ядра можно пренебречь, так как сечение обратно пропорционально квадрату массы частицы.

Тогда для рассеяния вперед$f \simeq Z$, количество электронов в атоме - каждый электрон вносит свой вклад (действительно, если вы говорите об ионах, это просто количество присутствующих электронов). Однако при других углах рассеяния имеет место некоторая деструктивная интерференция,$f < Z$и сечение рассеяния падает с увеличением угла рассеяния. Это количественно определяется атомным форм-фактором , который представляет собой отношение между поперечным сечением рассеяния атома и сечением свободного электрона в зависимости от угла рассеяния (т.е.$f= f(\theta)$). Это показано ниже (например, для кислорода (синий$Z=8$); хлор (зеленый,$Z=17$)) и достигает пика при значении, равном количеству присутствующих электронов.

Редактировать: В заключение . При фиксированном числе электронов в газе поперечное сечение рассеяния рентгеновских лучей максимизируется, если газ полностью ионизирован. Если газ атомарный, поперечное сечение будет аналогичным для прямого рассеяния, но меньше во всех других направлениях на величину, определяемую форм-фактором.