Кіріспе

Физикалық процестердің спектрі Шашырау – физикада қозғалатын бөлшектер немесе жарық, дыбыс сияқты сәулелердің, өтетін ортадағы жергілікті біркелкісіздіктерге (бөлшектер мен сәулелерді қоса алғанда) тікелей жолдан ауытқуына себеп болатын кең ауқымды физикалық процестерді сипаттау үшін қолданылатын термин. Әдеттегі қолданыста, бұл сәулеленудің шағылысу заңымен күтілетін бұрыштан ауытқуын да қамтиды. Шашырауға ұшыраған сәулеленудің шағылысуы көбінесе диффузды шашылыс деп аталады, ал шашырамаған шағылыс – айна тәрізді (спекулярлық) шашылыс деп аталады. Алғашқыда бұл термин жарық шашырауымен шектелген (кем дегенде 17 ғасырда Исаак Ньютонға дейін). «Сәуле» сияқты құбылыстар ашылған сайын, шашырау тұжырымы оларға да қолданылды, сондықтан Уильям Гершель 1800 жылы «жылу сәулелерінің» шашырауы туралы айта алды (ол кезде оның электромагниттік екені танылмаған). Жарық шашырауын зерттеуші пионер Джон Тиндалл 1870 жылдары жарық шашырауы мен акустикалық шашырау арасындағы байланысты атап өтті. 19 ғасырдың соңында катодтық сәулелердің (электрондық сәулелер) және рентген сәулелерінің шашырауы байқалып, талқыланды. 20 ғасырда субатомдық бөлшектердің (мысалы, 1911 жылы Эрнест Резерфорд) ашылуы және кванттық теорияның дамуымен терминнің мағынасы кеңейді, өйткені жарық шашырауында қолданылатын математикалық құралдар басқа да көптеген құбылыстарға қолданылуы мүмкін екені анықталды. Шашырау – молекулалар, атомдар, электрондар, фотондар және басқа бөлшектер арасындағы соқтығысулардың салдары болуы мүмкін. Мысалдар: Жер атмосферасының жоғарғы қабаттарындағы ғарыштық сәулелердің шашырауы; бөлшектер үдеткіштеріндегі бөлшектердің соқтығысуы; люминесценттік шамдардағы газ атомдарының электрондарды шашырауы; ядролық реакторлардағы нейтрондардың шашырауы. Шашырауға себеп болатын біркелкісіздіктер, кейде шашыратушылар немесе шашырау орталықтары деп аталады, олардың тізімін жасау мүмкін емес, бірақ олардың арасында бөлшектер, көпіршіктер, тамшылар, сұйықтықтардың тығыздық ауытқулары, поликристалликалық қатты денелердегі кристаллиттер, монокристалликалық қатты денелердегі ақаулар, беттік тегіссіздік, организмдердегі жасушалар және киімдегі тоқыма талшықтары бар. Мұндай ерекшеліктердің кез келген таралатын толқынның немесе қозғалатын бөлшектің жолына тигізетін әсерін шашырау теориясы шеңберінде сипаттауға болады. Шашырау және шашырау теориясы маңызды болатын салалар: радарлық сенсорлар, медициналық ультрадыбыс, жартылай өткізгіш пластиналарды тексеру, полимерлену процесін бақылау, акустикалық плиткалау, еркін кеңістіктегі байланыс және компьютерлік графика. Бөлшектердің бөлшектермен шашырау теориясы бөлшектер физикасы, атомдық, молекулалық және оптикалық физика, ядролық физика және астрофизика сияқты салаларда маңызды. Бөлшектер физикасында фундаментальды бөлшектердің кванттық өзара әрекеттесуі мен шашырауы Шашырау матрицасы немесе S матрицасы арқылы сипатталады, оны Джон Арчибальд Уилер мен Вернер Гейзенберг енгізген және дамытқан. Шашырауды шашырау қимасы (σ), әлсіреу коэффициенттері, екі бағытты шашырау тарату функциясы (BSDF), S матрицалары және орташа еркін жол сияқты әртүрлі түсініктерді пайдалана отырып сандық түрде анықтауға болады.

Бір және бірнеше рет шашырату

Радиацияны тек бір ғана жергілікті шашырату орталығы шашыратса, ол бір реттік шашырау деп аталады. Шашырату орталықтарының жинақталып орналасуы жиірек кездеседі; мұндай жағдайларда сәулелену көп рет шашырады, бұл көп реттік шашырау деп аталады. Бір реттік және көп реттік шашыраудың әсерлерінің басты айырмашылығы – бір реттік шашырауды көбінесе кездейсоқ құбылыс ретінде қарастыруға болады, ал көп реттік шашырау, кейбір интуицияға қайшы, шашырау оқиғаларының көп санының біріктірілген нәтижелері орташаланатындықтан, детерминистік процесс ретінде модельделуі мүмкін. Сондықтан көп реттік шашырауды диффузия теориясымен жақсы модельдеуге болады. Бір реттік шашырату орталығының орналасуы сәулелену жолына қатысты әдетте белгісіз болғандықтан, нәтиже, нақты кіріс траекториясына күшті тәуелді болатындықтан, бақылаушыға кездейсоқ болып көрінеді. Мұндай шашыраудың мысалы – атом ядросына бағытталған электрон. Бұл жағдайда атомның электрон жолына қатысты нақты орны белгісіз және өлшенбейді, сондықтан соқтығысқаннан кейін электронның нақты траекториясын болжау мүмкін емес. Сондықтан бір реттік шашырау көбінесе ықтималдық таралымдарымен сипатталады. Көп реттік шашырауда өзара әрекеттесудің кездейсоқтығы шашырау оқиғаларының көп санымен орташаланады, сондықтан сәулеленудің соңғы жолы интенсивтіліктің детерминистік таралуы болып көрінеді. Бұл қалың тұман арқылы өтетін жарық сәулесімен мысалға келтіріледі. Көп реттік шашырау диффузияға өте ұқсас, және көп реттік шашырау және диффузия терминдері көп жағдайда бір-бірімен алмастырыла алады. Көп реттік шашырау тудыратын оптикалық элементтер диффузерлер деп аталады. Когерентті кері шашырау, когерентті сәулелену кездейсоқ ортада көп рет шашырағанда болатын кері шашыраудың күшеюі, әдетте әлсіз локализацияға байланысты. Дегенмен, барлық бір реттік шашырау кездейсоқ бола бермейді. Мысалы, жақсы бақыланатын лазерлік сәуле микроскопиялық бөлшектен детерминистік нәтижемен шашырау үшін дәл орналастырылуы мүмкін. Мұндай жағдайлар радарлық шашырауда да кездеседі, онда нысандар адамдар немесе ұшақтар сияқты макроскопиялық объектілер болып табылады. Сол сияқты, көп реттік шашырау кейде кездейсоқ нәтижелерге ие болуы мүмкін, әсіресе когерентті сәулеленуде. Когерентті сәулеленудің көп рет шашыраған интенсивтілігінің кездейсоқ ауытқулары дақтар деп аталады. Дақтар когерентті толқынның бірнеше бөліктері әртүрлі орталықтардан шашырағанда да пайда болады. Кейбір сирек жағдайларда көп реттік шашырау тек аз ғана өзара әрекеттесулерді қамтиды, сондықтан кездейсоқтық толыққанды орташаланбайды. Бұл жүйелерді дәл модельдеу ең қиын деп есептеледі. Шашырау сипаттамасы және бір реттік және көп реттік шашырау арасындағы айырмашылық толқын-бөлшектік дуалдылығымен тығыз байланысты.

Теория

Шашырау теориясы – толқындар мен бөлшектердің шашырауын зерттеу және түсінудің негізгі қағидалары. Толыққанды айтқанда, толқынның шашырауы – бұл толқынның кейбір материалдық нысанмен соқтығысып, шашырауы, мысалы, жаңбыр тамшыларынан шашыраған (күн сәулесі) көлбеңкейдің пайда болуы. Шашырауға бильярд шарларының столдағы әрекеттесуі, альфа бөлшектерінің алтын ядроларынан Резерфорд шашырауы (немесе бұрыш өзгеруі), атомдар кластерінен электрондар мен рентген сәулелерінің Брагг шашырауы (немесе дифракциясы), сондай-ақ жұқа қабаттан өтетін кезде ядролық бөлініс фрагментінің серпімді емес шашырауы да жатады. Нақтырақ айтқанда, шашырау – бұл "алыс өткенде" еркін таралатын, дербес дифференциалдық теңдеулердің шешімдерінің қалай бірігіп, бір-бірімен немесе шекаралық шарттармен өзара әрекеттесетінін және содан кейін "алыс болашаққа" таралатынын зерттеуден тұрады. Тікелей шашырау мәселесі – шашыратушының қасиеттеріне сүйене отырып, шашыраған сәулелену/бөлшектер ағынының таралуын анықтау мәселесі. Кері шашырау мәселесі – объектінің қасиеттерін (мысалы, оның пішіні, ішкі құрамы) объектіден шашыраған сәулелену немесе бөлшектердің өлшеу деректері арқылы анықтау мәселесі.

Эластикалық және эластикалық емес шашырау

"Эластикалық шашырау" термині шашырау бөлшектерінің ішкі күйлері өзгермейтіндігін білдіреді, сондықтан олар шашырау процесінен өзгеріссіз шығады. Ал, эластикалық емес шашырау кезінде бөлшектердің ішкі күйі өзгереді, бұл шашырау атомының электрондарының қоздырылуына немесе шашырау бөлшегінің толық жойылуына және жаңа бөлшектердің пайда болуына алып келуі мүмкін. Кванттық химиядағы шашырау мысалы ерекше түсінік береді, себебі теория жеткілікті күрделі болғанымен, интуитивті түсінік қалыптастыруға қолайлы негізге ие. Екі атом бір-бірінен шашырағанда, оларды белгілі бір дифференциалдық теңдеудің байланысқан күйдегі шешімдері ретінде қарастыруға болады. Мысалы, сутек атомы Шредингер теңдеуінің кері пропорционалды (яғни, тартымды Кулондық) орталық потенциалына ие шешімі болып табылады. Екі сутек атомының шашырауы әр атомның күйін бұзып, олардың бірі немесе екеуінің де қоздырылуына, тіпті иондануына әкелуі мүмкін, бұл эластикалық емес шашырау процесін көрсетеді. "Терең эластикалық емес шашырау" термині бөлшектер физикасындағы шашырау эксперименттерінің ерекше түрін білдіреді.

Математикалық негіздеме

Математикада шашырау теориясы осы ұғымдар жиынтығының көбірек абстрактілі тұжырымдамасын зерттейді. Мысалы, егер дифференциалдық теңдеуде белгілі бір қарапайым, локальді шешімдер болса және шешімдер бір параметрдің функциясы болса, онда сол параметр уақыттың ұғымдық рөлін атқара алады. Содан кейін, егер екі мұндай шешім бір-бірінен алыс, "алыс өткенде" орналасса және бір-біріне қарай қозғалса, дифференциалдық теңдеудің шектеулеріне бағынып өзара әрекеттессе, содан кейін "болашақта" бір-бірінен алыстаса, қандай жағдай тууы мүмкін деп сұрақ туындайды. Шашырау матрицасы "алыс өткендегі" шешімдерді "алыс болашақтағы" шешімдермен байланыстырады. Дифференциалдық теңдеулердің шешімдері көбінесе манифольдтарда (көптүрліліктерде) беріледі. Көбінесе шешім табу үшін манифольдтағы оператордың спектрін зерттеу қажет. Нәтижесінде, шешімдердің көбінесе Гильберт кеңістігімен сәйкес келетін спектрі болады, ал шашырау белгілі бір түрлендіру, Гильберт кеңістіктеріндегі S матрицасы арқылы сипатталады. Дискретті спектрі бар шешімдер кванттық механикадағы байланысқан күйлерге сәйкес келеді, ал үздіксіз спектр шашырау күйлерімен байланысты. Инакстик шашырауды зерттеу дискретті және үздіксіз спектрлердің қалай араласатынын қарастырады. Маңызды, ерекше жетістік – кері шашырау түрлендіруі, көптеген дәл шешілетін модельдерді шешудің негізгі құралы.

Теориялық физика

Математикалық физикада шашырау теориясы – бөлшектік дифференциалдық теңдеулердің шешімдерінің өзара әрекеттесуін немесе шашырауын зерттеу және түсінудің негізгі құралы. Акустикада дифференциалдық теңдеу – толқын теңдеуі, ал шашырау оның шешімдері, яғни дыбыс толқындарының қатты денелерден қалай шашырағанын немесе біртекті емес орта арқылы қалай таралатынын зерттейді (мысалы, теңіз суындағы суасты қайығынан шыққан дыбыс толқындары). Классикалық электродинамикада да дифференциалдық теңдеу – толқын теңдеуі болып табылады, және жарық немесе радио толқындарының шашырауы зерттеледі. Бөлшек физикасында теңдеулер кванттық электродинамика, кванттық хромодинамика және Стандартты Модельге сәйкес келеді, ал олардың шешімдері негізгі бөлшектерді сипаттайды. Кванттық химияны да қамтитын жалпы кванттық механикада тиісті теңдеу – Шредингер теңдеуі, бірақ Липпман-Швенгер теңдеуі және Фадеев теңдеулері сияқты эквивалентті формулалар да кеңінен қолданылады. Мұндай шешімдердің қызығушылық тудыратыны – еркін атомдардың, молекулалардың, фотондардың, электрондардың және протондардың ұзақ мерзімді қозғалысын сипаттау. Сценарий бойынша бірнеше бөлшектер шексіз қашықтықтан бірге келеді. Бұл реагенттер соқтығысып, қатыса алады, жойыла алады немесе жаңа бөлшектер тудыра алады. Содан кейін өнімдер мен қолданылмаған реагенттер қайтадан шексіздікке ұшып кетеді. (Біздің мақсатымыз үшін атомдар мен молекулаларды бөлшектер деп қарастыруға болады. Сондай-ақ, күнделікті жағдайда фотондар ғана туындайды және жойылады.) Шешімдер өнімдердің қай бағытта және қандай жылдамдықпен ұшып кетуі ең мүмкін екенін көрсетеді. Олар сондай-ақ түрлі реакциялардың, туындаулардың және ыдыраулардың ықтималдығын анықтайды. Шашырау мәселелерін шешудің екі негізгі әдісі бар: жартылай толқындық талдау және Борн жуықтауы.