Томсоновское рассеяние фотонов на заряженных частицах
Thomson scattering
Рассеяние фотонов низкой энергии на заряженных частицах (томсоновское рассеяние): принцип, условия, применение в физике плазмы. Объяснение Дж. Дж. Томсона.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Рассеяние фотонов низкой энергии от заряженных частиц
Low energy photon scattering off charged particles
Рассеяние Томсона — это упругое рассеяние электромагнитного излучения свободной заряженной частицей, описываемое классической электродинамикой. Оно является пределом низких энергий рассеяния Комптона: кинетическая энергия частицы и частота фотона не изменяются в результате рассеяния. Этот предел справедлив, пока энергия фотона значительно меньше энергии массы частицы: , или, эквивалентно, если длина волны света значительно больше длины волны Комптона частицы (например, для электронов, длины волн больше, чем у жесткого рентгеновского излучения).
Thomson scattering is the elastic scattering of electromagnetic radiation by a free charged particle, as described by classical electromagnetism. It is the low energy limit of Compton scattering: the particle's kinetic energy and photon frequency do not change as a result of the scattering. This limit is valid as long as the photon energy is much smaller than the mass energy of the particle: , or equivalently, if the wavelength of the light is much greater than the Compton wavelength of the particle (e. g., for electrons, longer wavelengths than hard x rays).
Описание явления
Рассеяние Томсона – это модель, описывающая воздействие электромагнитных полей на электроны, когда энергия поля значительно меньше массы покоя электрона. В этой модели электрическое поле падающей волны ускоряет заряженную частицу, что, в свою очередь, приводит к излучению ею радиации на той же частоте, что и падающая волна, и, таким образом, происходит рассеяние волны. Рассеяние Томсона является важным явлением в физике плазмы и впервые было объяснено физиком Дж. Дж. Томсоном. До тех пор, пока движение частицы нерелятивистско (то есть её скорость значительно меньше скорости света), основной причиной ускорения частицы является электрическая компонента падающей волны. В первом приближении влияние магнитного поля можно пренебречь.
Thomson scattering is a model for the effect of electromagnetic fields on electrons when the field energy is much less than the rest mass of the electron In the model the electric field of the incident wave accelerates the charged particle, causing it, in turn, to emit radiation at the same frequency as the incident wave, and thus the wave is scattered. Thomson scattering is an important phenomenon in plasma physics and was first explained by the physicist J. J. Thomson. As long as the motion of the particle is non relativistic (i. e. its speed is much less than the speed of light), the main cause of the acceleration of the particle will be due to the electric field component of the incident wave. In a first approximation, the influence of the magnetic field can be neglected.
Примеры рассеяния Томсона
Космический микроволновой фон содержит небольшой линейно поляризованный компонент, обусловленный рассеянием Томсона. Этот поляризованный компонент, отображающий так называемые E-моды, был впервые обнаружен установкой DASI в 2002 году. Солнечная K-корона является результатом рассеяния Томсона солнечного излучения на солнечных корональных электронах. Миссии ESA и NASA SOHO и NASA STEREO создают трехмерные изображения электронной плотности вокруг Солнца, измеряя эту K-корону с трех различных спутников. В токамаках, коронах мишеней для инерционного термоядерного синтеза и других экспериментальных термоядерных установках температуры и плотности электронов в плазме могут быть измерены с высокой точностью путем регистрации эффекта рассеяния Томсона высокоинтенсивного лазерного луча. Модернизированная система рассеяния Томсона в звездочреде Wendelstein 7-X использует Nd:YAG лазеры для генерации серии импульсов в быстрой последовательности. Интервалы между импульсами в каждой серии могут составлять от 2 мс до 33,3 мс, что позволяет проводить до двенадцати последовательных измерений. Синхронизация с плазменными событиями обеспечивается недавно добавленной системой триггеров, облегчающей анализ переходных процессов в плазме в реальном времени. В эффекте Сюняева-Зельдовича, где энергия фотона значительно меньше массы покоя электрона, обратное комптоновское рассеяние можно аппроксимировать рассеянием Томсона в системе отсчета электрона. Модели для рентгеновской кристаллографии основаны на рассеянии Томсона.
The cosmic microwave background contains a small linearly polarized component attributed to Thomson scattering. That polarized component mapping out the so called E modes was first detected by DASI in 2002. The solar K corona is the result of the Thomson scattering of solar radiation from solar coronal electrons. The ESA and NASA SOHO mission and the NASA STEREO mission generate three dimensional images of the electron density around the Sun by measuring this K corona from three separate satellites. In tokamaks, corona of ICF targets and other experimental fusion devices, the electron temperatures and densities in the plasma can be measured with high accuracy by detecting the effect of Thomson scattering of a high intensity laser beam. An upgraded Thomson scattering system in the Wendelstein 7 X stellarator uses Nd:YAG lasers to emit multiple pulses in quick succession. The intervals within each burst can range from 2 ms to 33.3 ms, permitting up to twelve consecutive measurements. Synchronization with plasma events is made possible by a newly added trigger system that facilitates real time analysis of transient plasma events. In the Sunyaev–Zeldovich effect, where the photon energy is much less than the electron rest mass, the inverse Compton scattering can be approximated as Thomson scattering in the rest frame of the electron. Models for X ray crystallography are based on Thomson scattering.