Войти
| Рассеяние электронов | |
|---|---|
 Наглядное описание того, как электронный луч может взаимодействовать с образцом с ядром N и электронным облаком электронных оболочек K, L, M. Отображение прошедших электронов и электронов, рассеянных упругим / неупругим образом. SE представляет собой вторичный лектрон S E, излучаемый пучком электронов, испускающий характеристический фотон (рентгеновское излучение) γ. BSE - это лектрон B ack- S, улавливаемый E, электрон, который рассеивается назад, а не проходит через образец. | |
| Электрон (. e.,. β.) | |
| Частица | Электрон |
| Масса | 9,10938291 (40) × 10 kg. 5,4857990946 (22) × 10 u. [1822,8884845 (14)] u. 0,510998928 (11) МэВ / c |
| Электрический заряд | −1 e. −1.602176565 (35) × 10 C. −4,80320451 (10) × 10 esu |
| Магнитный момент | -1,00115965218076 (27) μB |
| Спин | ⁄2 |
| Рассеяние | |
| Силы / Эффекты | Сила Лоренца, Электростатическая сила, Гравитация, Слабое взаимодействие |
| Измерения | Заряд, Ток |
| Категории | Упругое столкновение, Неупругое столкновение, Высокая энергия, Низкоэнергетические |
| Взаимодействия | . e. —. e.. . e. —. γ.. . e. —. e.. . e. — . p.. . e. — . n.. . e. — Ядра |
| Типы | Комптоновское рассеяние. Меллеровское рассеяние. Моттовское рассеяние. Бхабха-рассеяние. Тормозное излучение. Глубоконеупругое рассеяние. Синхротрон эмиссия. томсоновское рассеяние |
электронное рассеяние происходит, когда cтроны отклоняются от своей первоначальной траектории. Это происходит из-за электростатических сил при взаимодействии материи или, если присутствует внешнее магнитное поле, электрон может отклоняться силой Лоренца. Это рассеяние обычно происходит с твердыми телами, такими как металлы, полупроводники и изоляторы; и является ограничивающим фактором в интегральных схемах и транзисторах.
Рассеяние электронов применяется так, что его можно использовать в качестве микроскопа с высоким разрешением для адронных систем, позволяющих измерять распределение зарядов для нуклонов и структура ядра. Рассеяние электронов позволило нам понять, что протоны и нейтроны состоят из более мелких элементарных субатомных частиц, называемых кварками.
Электроны могут рассеиваться через твердое тело в несколько способов:
Вероятность рассеяния электронов и степень рассеяния являются функцией вероятности от толщины образца до длины свободного пробега.
Принцип электрона был впервые теоретизирован в период 1838-1851 гг. Естествоиспытателем по имени Ричард Лэминг, который предположил существование субатомных единичных заряженных частиц; он также представлял атом как «электросферу» из концентрических оболочек электрических частиц, окружающих материальное ядро.
Принято считать, что Дж. Дж. Томсон впервые открыл электрон в 1897 году, хотя другими заметными участниками развития теории заряженных частиц являются Джордж Джонстон Стоуни (который ввел термин «электрон»), Эмиль Вихерт (который первым опубликовал свое независимое открытие электрона), Вальтер Кауфманн, Питер Зееман и Хендрик Лоренц.
Комптоновское рассеяние впервые наблюдалось при Вашингтонский университет в 1923 году Артуром Комптоном, получившим Нобелевскую премию по физике 1927 года за это открытие; его аспирант Ю. Следует также упомянуть Х. Ву, который дополнительно подтвердил результаты. Комптоновское рассеяние обычно ссылается на взаимодействие с участием электронов атома, однако ядерное комптоновское рассеяние действительно существует.
Первый эксперимент по дифракции электронов был проведен в 1927 году Клинтоном Дэвиссоном и Лестер Гермер, использующий то, что стало прототипом современной системы LEED. Эксперимент смог продемонстрировать волнообразные свойства электронов, тем самым подтвердив гипотезу де Бройля о том, что частицы вещества имеют волнообразную природу. Однако после этого интерес к LEED уменьшился в пользу до начала 1960-х годов, когда интерес к LEED был возрожден; Следует отметить, что в этот период следует отметить тех, кто продолжал разрабатывать методы LEED.
История встречных электрон-электронных пучков высоких энергий началась в 1956 году, когда К. О'Нил из Принстонского университета заинтересовался столкновениями высоких энергий и представил идея ввода ускорителя (ов) в накопительное кольцо (а). Хотя идея столкновений пучков и пучков существовала примерно с 1920-х годов, только в 1953 году немецкий патент на устройство встречных пучков был получен Рольфом Видеро.
Электроны могут быть рассеивается другими заряженными частицами за счет электростатических кулоновских сил. Кроме того, если присутствует магнитное поле, бегущий электрон будет отклоняться силой Лоренца. Чрезвычайно точное описание всего рассеяния электронов, включая квантовые и релятивистские аспекты, дает теория квантовой электродинамики.
Путь электрона со скоростью v, движущегося в магнитном поле B . Пунктирный кружок указывает на магнитное поле, направленное из плоскости, а перечеркнутый кружок указывает на магнитное поле, направленное в плоскость. Сила Лоренца, названная в честь голландского физика Хендрик Лоренц, для заряженной частицы q задается (в единицах СИ ) уравнением:
где q E описывает электрическую силу, возникающую из-за существующего электрического поля, E, действуя на q.. И q vx Bописывает магнитную силу из-за присутствующего магнитного поля, B, действующего на q, когда q движется со скоростью v.., что также можно записать как:
![{\ mathbf {F}} = q [- \ nabla \ phi - {\ frac {d {\ mathbf {A}}} {dt}} + \ nabla ({\ mathbf {A}} \ cdot {\ mathbf {v}})]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/e7a85073a0f8338eb41180c17d00046603f4d7b3)
где 
Именно Оливер Хевисайд в 1885 и 1889 годах впервые получил правильное выражение для Сила Лоренца q vx B.Хендрик Лоренц вывел и уточнил эту концепцию в 1892 году и дал ей свое имя, включающее силы, возникающие из-за электрических полей.. Переписав это как уравнение движения для свободной частицы с зарядом q массы m, получим следующее:
или
в релятивистском случае с использованием лоренцевского сокращения где γ равно:
это уравнение движения было впервые проверено в 1897 году в Дж. Эксперимент Дж. Томсона по исследованию катодных лучей, который подтвердил, посредством изгиба лучей в магнитном поле, что эти лучи были потоком заряженных частиц, теперь известных как электроны.
Варианты этой основной формулы описывают магнитную силу на проводе с током (иногда называемую силой Лапласа), электродвижущую силу в проволочной петле, движущейся через магнитное поле (аспект закона индукции Фарадея), и силу, действующую на частицу, которая может перемещаться вблизи скорость света (релятивистская форма силы Лоренца).
Абсолютное значение силы F между двумя точечными зарядами q и Q относится к расстоянию r между точечными зарядами и простое произведение их обвинений. На диаграмме показано, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, а противоположные заряды притягиваются друг к другу. 
На изображении вектор F1- это сила, испытываемая q 1, а вектор F2- сила, испытываемая q 2. Когда q 1q2>0 силы отталкивающие (как на изображении), а когда q 1q2< 0 the forces are attractive (opposite to the image). The magnitude of the forces will always be equal. In this case: 
. где вектор,. 
. - векторное расстояние между зарядами и, 
. (единичный вектор, указывающий от q 2 до q 1).. В векторной форме приведенного выше уравнения вычисляется сила F1, приложенная к q 1 посредством q 2. Если вместо этого используется r21, то можно обнаружить влияние на q 2. Его также можно рассчитать, используя третий закон Ньютона : F2= - F1.Электростатическая кулоновская сила, также известная как кулоновское взаимодействие и электростатическая сила, названная по имени 27>Шарль-Огюстен де Кулон, опубликовавший результат в 1785 году, описывает притяжение или отталкивание частиц за счет их электрического заряда.
Закон Кулона гласит:
Величина электростатической силы пропорциональна величине скалярное кратное величине заряда и обратно пропорционально квадрату расстояния (т. е. закон обратных квадратов ) и определяется по формуле:
или в векторной записи:
где q 1,q2- два начисленных пункта; r-hat - направление единичного вектора расстояния r между зарядами; k - постоянная Кулона, а ε 0 - диэлектрическая проницаемость свободного пространства, выраженная в единицах СИ следующим образом:
Направления сил, действующих между двумя зарядами, всегда вдоль прямой, соединяющей их (кратчайшее расстояние), и являются векторными силами бесконечного диапазона; и подчиняться 3-му закону Ньютона, имеющему равную величину и противоположное направление. Кроме того, когда оба заряда q 1 и q 2 имеют одинаковый знак (положительные или отрицательные), силы между ними являются отталкивающими, если они имеют противоположный знак, то силы привлекательны. Эти силы подчиняются важному свойству, называемому принципом суперпозиции сил, который гласит, что если был введен третий заряд, то полная сила, действующая на этот заряд, представляет собой векторную сумму сил, которые будут действовать другим. взимает индивидуально, это справедливо для любого количества сборов. Однако закон Кулона был сформулирован для зарядов в вакууме, если пространство между точечными зарядами содержит материю, то диэлектрическая проницаемость вещества между зарядами должна быть учтена следующим образом:
где ε r - относительная диэлектрическая проницаемость или диэлектрическая проницаемость пространства, через которое действует сила, безразмерная.
Если две частицы взаимодействуют с друг с другом в процессе столкновения после взаимодействия возможны четыре результата:
Упругое рассеяние - это когда столкновения между мишенью и падающими частицами имеют полное сохранение кинетической энергии. Это означает, что не происходит разрушения частиц или потери энергии из-за колебаний, то есть внутренние состояния каждой из частиц остаются неизменными. Из-за отсутствия разрушения упругие столкновения могут быть смоделированы как происходящие между точечными частицами, что очень полезно для элементарной частицы, такой как электрон.
Неупругое рассеяние - это когда столкновения не сохраняют кинетическую энергию, и поэтому внутренние состояния одной или обеих частиц изменились. Это происходит из-за того, что энергия преобразуется в колебания, которые можно интерпретировать как тепло, волны (звук) или колебания между составляющими частицами любой стороны столкновения. Частицы также могут расщепляться, дополнительная энергия может быть преобразована в разрыв химических связей между компонентами.
Кроме того, импульс сохраняется как при упругом, так и при неупругом рассеянии. Два других результата - это реакции (когда структура взаимодействующих частиц изменяется с образованием двух или более (обычно сложных частиц)) и создаются новые частицы, которые не являются элементарными частицами взаимодействующих частиц.
Рассеяние электронов отдельными атомами и молекулами происходит в газовой фазе. Он играет ключевую роль в физике и химии плазмы и важен для таких приложений, как физика полупроводников. Рассеяние электрон-молекула / атом обычно рассматривают с помощью квантовой механики. Ведущим подходом к вычислению сечений является использование метода R-матрицы.
Комптоновская диаграмма рассеяния Фейнмана Комптоновское рассеяние, названное так в честь Артура Комптона, который впервые наблюдал эффект в 1922 году и за который получил Нобелевскую премию 1927 года. по физике; представляет собой неупругое рассеяние фотона высокой энергии на свободной заряженной частице.
Это было продемонстрировано в 1923 г. путем испускания излучения с заданной длиной волны (в данном случае рентгеновских лучей) через фольга (углеродная мишень), которая рассеивалась способом, несовместимым с классической теорией излучения. Комптон опубликовал статью в Physical Review, объясняющую это явление: квантовая теория рассеяния рентгеновских лучей легкими элементами. Эффект Комптона можно понимать как неупругое рассеяние высокоэнергетических фотонов на отдельных электронах, когда входящий фотон отдает часть своей энергии электрону, тогда рассеянный фотон имеет более низкую энергию, более низкую частоту и большую длину волны в соответствии с Соотношение Планка :
, которое дает энергию E фотона через частоту f или ν и постоянную Планка h (6,626 × 10 J⋅s = 4.136 × 10 эВ.с). Изменение длины волны при таком рассеянии зависит только от угла рассеяния данной целевой частицы.
Это было важным открытием в 1920-х годах, когда частицы (фотонная) природа света были предложены с помощью Фотоэлектрического эффекта. все еще обсуждался, эксперимент Комптона дал четкие и независимые доказательства подобного частицам поведения.
Формула, описывающая комптоновский сдвиг длины волны из-за рассеяния, дается следующим образом:
где λ f - конечная длина волны фотона после рассеяния, λ i - начальная длина волны фотона перед рассеянием, h - постоянная Планка, m e - масса покоя электрона, c - скорость света и θ - угол рассеяния фотона.
Коэффициент (1 - cosθ) известен как длина волны Комптона, но на самом деле является пропорциональным константа ty для сдвига длины волны. Столкновение приводит к увеличению длины волны фотона где-то от 0 (для угла рассеяния 0 °) до удвоенной длины волны Комптона (для угла рассеяния 180 °).
Томсоновское рассеяние является классическим упругая количественная интерпретация процесса рассеяния, и это можно увидеть, что происходит с фотонами с более низкой, средней энергией. Классическая теория электромагнитной волны, рассеянной заряженными частицами, не может объяснить сдвиги длины волны малой интенсивности.
Обратное комптоновское рассеяние имеет место, когда электрон движется, и имеет достаточную кинетическую энергию по сравнению с фотоном. В этом случае чистая энергия может передаваться от электрона к фотону. Обратный эффект Комптона наблюдается в астрофизике, когда фотон с низкой энергией (например, космического микроволнового фона) отражается от электрона с высокой энергией (релятивистского). Такие электроны образуются в сверхновых и активных ядрах галактик.
Меллеровское рассеяние Фейнмана Если заряженная частица, такая как электрон, ускоряется - это может быть ускорение по прямой линии или движение по кривой траектории - испускается электромагнитное излучение частицей. Внутри накопительных колец электронов и кольцевых ускорителей частиц, известных как синхротроны, электроны изгибаются по круговой траектории и обычно излучают рентгеновские лучи. Это радиально испускаемое (
. Первое наблюдение было сделано в исследовательской лаборатории General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, 24 апреля 1947 г. синхротрон, созданный командой Херба Поллака для проверки идеи принципа фазовой стабильности для ВЧ-ускорителей. Когда техника попросили осмотреть экран большим зеркалом, чтобы проверить наличие искры в трубке, он увидел яркую дугу света поступает из электронного пучка. Роберт Ленгмюр признал его как синхротронное излучение или, как он его назвал, "излучение Швингера" в честь Джулиана Швингера.
Классически излучаемая мощность P от ускоренного электрона составляет:
это происходит из формулы Лармора ; где K - постоянная диэлектрической проницаемости, e - заряд электрона, c - скорость света, а a - ускорение. В пределах круговой орбиты, такой как накопительное кольцо, нерелятивистский случай - это просто центростремительное ускорение. Однако внутри накопителя ускорение очень релятивистское, и его можно получить следующим образом:
,где v - круговая скорость, r - радиус кругового ускорителя, m - масса покоя заряженная частица, p - импульс, τ - Собственное время (t / γ), а γ - фактор Лоренца. Излучаемая мощность становится следующей:
Для высокорелятивистских частиц, когда скорость становится почти постоянной, член γ становится доминирующей переменной при определении скорости потерь, что означает, что потери масштабируются как четвертая степень энергии частицы γmc; и обратная зависимость потерь синхротронного излучения от радиуса указывает на необходимость создания ускорителя как можно большего размера.
Аэрофотоснимок Стэнфордского центра линейных ускорителей с детекторным комплексом на правая (восточная) сторона Стэнфордский центр линейных ускорителей расположен недалеко от Стэнфордского университета, Калифорния. Строительство линейного ускорителя длиной 2 мили началось в 1962 году и было завершено в 1967 году, а в 1968 году было обнаружено первое экспериментальное свидетельство существования кварков, в результате чего в 1990 году была присуждена Нобелевская премия по физике, которую разделили Ричард Тейлор, Джером И. Фридман и Генри Кендалл из SLAC. Массачусетского технологического института. Ускоритель имел мощность 20 ГэВ для ускорения электронов, и, хотя этот эксперимент был похож на эксперимент Резерфорда по рассеянию, этот эксперимент работал с альфа-частицами при энергии всего 7 МэВ. В случае SLAC падающая частица была электроном, а цель - протоном, и из-за короткой длины волны электрона (из-за его высокой энергии и импульса) он мог проникать в протон. Стэнфордское позитронно-электронное асимметричное кольцо (SPEAR), добавленное к SLAC, сделало такие открытия возможными, что привело к открытию в 1974 году частицы Дж / пси, которая состоит из парного очарованного кварка и античарованного кварка, и еще одной Нобелевской премии в области Физика в 1976 году. За этим последовало объявление Мартина Перла об открытии тау-лептона, за которое он получил Нобелевскую премию по физике 1995 года.
SLAC стремится стать ведущей лабораторией ускорителей для достижения стратегических целей. программы по физике элементарных частиц, астрофизике элементарных частиц и космологии, а также приложениям для открытия новых лекарств для лечения, новых материалов для электроники и новых способов производства чистой энергии и очистки окружающей среды. Под руководством Чи-Чанг Као пятый директор SLAC (по состоянию на ноябрь 2012 года), известный ученый-рентгенолог, который пришел в SLAC в 2010 году, чтобы работать заместителем директора лаборатории Стэнфордского источника синхротронного излучения.
Другие научные программы, выполняемые в SLAC, включают:
RIKEN был основан в 1917 году как частный исследовательский фонд в Токио и является крупнейшим комплексным исследовательским институтом Японии. Быстро разрастаясь в размерах и масштабах, он сегодня известен высококачественными исследованиями в самых разных научных дисциплинах и включает в себя сеть исследовательских центров и институтов мирового уровня по всей Японии.
RIKEN RI Beam Factory, иначе известный как RIKEN Nishina Center (для науки на основе ускорителей), представляет собой исследовательский центр на базе циклотрона, который начал работать в 2007 году; Спустя 70 лет после первого в Японии циклотрона от Dr. Ёсио Нишина, имя которого дано объекту.
По состоянию на 2006 год на объекте имеется комплекс ускорителей тяжелых ионов мирового класса. Он состоит из кольцевого циклотрона на К540 МэВ (RRC) и двух различных инжекторов: линейного ускорителя тяжелых ионов с переменной частотой (RILAC) и циклотрона AVF на К70 МэВ (AVF). Он имеет сепаратор снарядов и осколков (RIPS), который обеспечивает лучи RI (радиоактивный изотоп) мощностью менее 60 а.е.м., самые интенсивные в мире лучи RI с легкой атомной массой.
Под контролем Центра Нишина, RI Beam Factory используется пользователями по всему миру, продвигая исследования в области ядерной физики, физики элементарных частиц и адронов. Это продвижение исследований приложений ускорителей является важной миссией Центра Нишина и предполагает использование как отечественных, так и зарубежных ускорительных мощностей.
SCRIT (Self-Confining Radioactive isotope Ion Target), в настоящее время строится на лучевом заводе RIKEN RI (RIBF) в Японии. Проект направлен на исследование короткоживущих ядер с помощью теста на упругое рассеяние электронов с распределением плотности заряда, при этом первоначальное тестирование проводится на стабильных ядрах. Первое рассеяние электронов на нестабильных изотопах Sn состоится в 2014 году.
Исследование короткоживущих радиоактивных ядер (RI) с помощью рассеяния электронов никогда не проводилось из-за невозможности превратить эти ядра в цель, теперь с появлением новой техники самоограничивающегося RI на первой в мире установке, посвященной изучению структуры короткоживущих ядер путем рассеяния электронов, это исследование становится возможным. Принцип этого метода основан на явлении захвата ионов, которое наблюдается на устройствах для накопления электронов, что отрицательно сказывается на характеристиках накопителей электронов.
Новая идея, которую следует использовать в SCRIT, заключается в том, чтобы используйте ионный захват, чтобы позволить короткоживущим РП стать мишенью в качестве захваченных ионов на электронном пучке для экспериментов по рассеянию. Эта идея была впервые подвергнута проверке принципа исследования с использованием электронного накопителя Киотского университета, KSR; это было сделано с использованием стабильного ядра Cs в качестве мишени в эксперименте с энергией электронного пучка 120 МэВ, типичным накопленным током пучка 75 мА и временем жизни пучка 100 секунд. Результаты этого исследования были благоприятными: упруго рассеянные электроны от захваченного Cs были четко видны.
