Kohärente Streuung von Neutronen

Wenn wir von streuenden Neutronen sprechen, befinden wir uns im quantenmechanischen Bereich. Der Streuquerschnitt ist idealerweise vollständig definiert, wenn wir die Wellenfunktion des Problems "Neutron + Masse ---> Neutron + Masse" sowohl für elastische als auch für inelastische Streuung kennen.

Inelastische Streuung bedeutet, dass das Neutron beim Auftreffen auf einen Kern einen Teil seiner Energie überträgt, während elastisch bedeutet, dass es keine Energie verliert, sondern nur die Richtung ändert. Dies wird in dem von Ihnen angegebenen Link erklärt.

Was ich nicht verstehe ist, dass, da der Kern viel größer als das Neutron ist, das Neutron klassischerweise sogar nach der Kollision zurückprallen kann und somit der Streuwinkel ziemlich groß wäre.

Für einen kleinen Prozentsatz elastischer Streuung besteht je nach Energie und Art der Masse, an der Neutronen gestreut werden, eine Wahrscheinlichkeit für Rückwärtsstreuung, siehe zum Beispiel hier . Für den in dem von Ihnen angegebenen Link beschriebenen Aufbau werden die elastischen Kleinwinkelstreuungen gewählt , da die Phasen bekannt (kohärent) sind, sodass eine Überlagerung der Neutronenwellenfunktionen erfolgen kann. Der Wirkungsquerschnitt ist das komplex konjugierte Quadrat der Wellenfunktion und somit können Interferenzen auftreten.

Wie erklären wir also den kleinen Streuwinkel?

Es ist die Wahl für die vorliegende Studie, kleine Streuwinkel ergeben nützliche Interferenzmuster und sind auch in der quantenmechanischen Wahrscheinlichkeitsschätzung wahrscheinlicher. Die unelastische Streuung von Neutronen an Kernen (starke Wechselwirkung, nicht elektromagnetisch) trägt zum Rauschen bei. Die elastischen halten die Phasen und können nützliche Informationen übertragen.

Neben der Antwort von anna v möchte ich einige Punkte Ihrer Frage klarstellen. Angenommen, die Wechselwirkung beschreibt die Neutronenstreuung an der Materie (z. B. Atomkerne). Unabhängig von der Art der Wechselwirkungen (darüber erzähle ich weiter unten) lassen sie sich durch die Quantität charakterisieren$q^{2} = q_{\mu}q^{\mu}$, Wo$q_{\mu}$ist der vom Neutron auf die Materie übertragene 4-Impuls. Wie hier diskutiert wird ,$q^{2}$hängt eng mit der Entfernung zusammen$r$der Interaktion; nämlich$q^{2}\simeq r^{-2}$.

Im Allgemeinen muss man alle möglichen Werte von berücksichtigen$q^{2}$. So lange wie$r \gg r_{n}$, Wo$r_{n}$der Neutronenradius ist, kann das Neutron als punktförmiges Teilchen interpretiert werden und die Streuung ist typischerweise elastisch; entsprechend,$r \gg r_{n}$bedeutet, dass$q^{2} \ll r_{n}^{-2}$. Im Massenmittelpunkt (CM),

$$\tag 1 q^{2} = -4|\mathbf p_{\text{CM}}|^{2}\sin^{2}\left(\frac{\theta_{\text{CM}}}{2}\right),$$ Wo $|\mathbf p_{\text{CM}}|$ist der Neutronen-3-Impuls im CM-System, während $\theta_{\text{CM}}$der CM-Streuwinkel ist. Aus $(1)$Sie sehen, dass die Kleinheit von $q^{2}$bedeutet, für fest $|\mathbf p_{\text{CM}}|$, die Kleinheit von $\theta_{\text{CM}}$; je mehr $|\mathbf p_{\text{CM}}|$ist, desto weniger $\theta_{\text{CM}}$muss in ordnung sein $q^{2}$klein sein. Aber Kleinheit von $\theta_{\text{CM}}$bedeutet einfach, dass sich das gestreute Neutron in fast die gleiche Richtung wie das einfallende bewegt. Dies kann als kohärente Streuung bezeichnet werden .

Lassen Sie uns nun kurz auf die Arten von Interaktionen eingehen. Das Neutron wechselwirkt mit der Materie durch Emission von Wechselwirkungsträgern, die je nach Wert von$q^{2}$können Photonen sein,$W,Z$-Bosonen, Gluonen, Pionen und andere; Das Neutron muss nicht absorbiert und wieder abgestrahlt werden, um zu interagieren. Die Träger können alle in starke, schwache und elektromagnetische Wechselwirkungsträger eingeteilt werden. Abhängig von der Art der Wechselwirkung zwischen dem Neutron und der Materie sind die dominanten Beiträge zum gesamten Streuquerschnitt durch unterschiedliche Werte von gegeben$q^{2}$. Die starken und schwachen Wechselwirkungen sind typischerweise durch große gekennzeichnet$q^{2}$typischerweise größer als$r_{n}^{-2}$, während die elektromagnetische Wechselwirkung für klein dominiert $q^{2}$; deshalb nennen wir es weitreichende Interaktion. Letzteres erklärt qualitativ die Existenz der Wechselwirkung kleiner Streuwinkel.