Thomson-Streuquerschnitt: freie Elektronen vs. Atome

Definitionsgemäß ist die Thomson-Streuung die elastische Streuung von Licht durch ein freies geladenes Teilchen. Atome können nicht als solche beschrieben werden, aber die Elektronen in einem Atom können sich freien Elektronen annähern, wenn ihre Bindungsenergie viel niedriger ist als die Photonenenergie. Dies könnte für Röntgenwellenlängen zutreffen, obwohl, wenn die Photonenenergie zu hoch wird, keine elastische Streuung auftritt und Sie stattdessen Compton-Streuung in Betracht ziehen müssten.

Der Thomson-Streuquerschnitt von einem Atom mit be$f$mal so groß wie der Streuquerschnitt eines freien Elektrons, wobei$f$ist die effektive Anzahl freier Elektronen im Atom. Der Beitrag des Kerns ist vernachlässigbar, da der Wirkungsquerschnitt umgekehrt vom Quadrat der Teilchenmasse abhängt.

Also für die Vorwärtsstreuung$f \simeq Z$, die Anzahl der Elektronen im Atom - jedes Elektron trägt dazu bei (tatsächlich, wenn Sie über Ionen sprechen, ist es nur die Anzahl der vorhandenen Elektronen). Für andere Streuwinkel gibt es jedoch eine destruktive Interferenz,$f < Z$und der Streuquerschnitt sinkt mit zunehmendem Streuwinkel. Dies wird durch einen atomaren Formfaktor quantifiziert , der das Verhältnis zwischen dem Streuquerschnitt des Atoms und dem eines freien Elektrons als Funktion des Streuwinkels ist (d. h$f= f(\theta)$). Dies ist unten dargestellt (z. B. für Sauerstoff (blau$Z=8$); Chlor (grün,$Z=17$)) und Spitzen bei einem Wert, der gleich der Anzahl vorhandener Elektronen ist.

Bearbeiten: Abschließend Für eine feste Anzahl von Elektronen in einem Gas wird der Röntgen-Thomson-Streuquerschnitt maximiert, wenn das Gas vollständig ionisiert ist. Wenn das Gas atomar ist, ist der Querschnitt für die direkte Vorwärtsstreuung ähnlich, aber in allen anderen Richtungen um einen durch den Formfaktor gegebenen Betrag kleiner.