Spredning

Spredning er en fysisk prosess der partikler eller lys forandrer bevegelsesretning på grunn av en eller annen hindring. Dette kan være andre partikler,  dråper eller variasjoner i tettheten til mediet som bevegelsen foregår i. Men oftest benyttes betegnelsen for å beskrive hva som skjer med en strøm av partikler eller en lysstråle som beveger seg mot en enkel partikkel. Dette kan da være et molekyl, atom eller en elementærpartikkel. 

Når det kun skjer en retningsforandring av den innkommende strålingen og den spredende partikkel forblir uforandret, omtales prosessen som «elastisk spredning». I motsatt fall sies den å være uelastisk. Da har man absorpsjon hvor noe av strålingen er blitt tatt opp av sprederen og forandret denne.

En av de mest kjente spredningsprosesser er Rayleigh-spredning som beskriver hvordan lys vekselvirker med molekyler i atmosfæren og dermed gjør himmelen blå om dagen og rødlig i vest ved solnedgang. Ved bruk av kvanteelektrodynamikk er det mulig å forstå at lys også kan spredes av lys, men det skjer med meget liten sannsynlighet.

Mange fenomener i optikk kan forklares ved at lys spredes på enkeltatomer eller molekyl. Brytningsindeksen til et materiale fremkommer ved konstruktiv interferens mellom spredte lysstråler og omtales vanligvis som dispersjon. På lignende måte oppstår diffraksjon av lys fra makroskopiske gjenstander og deres dannelse av skygger ved at lysbølger som er spredt av partikler i disse gjenstandene, interfererer seg imellom.

Egenskaper
Et kvantitativt mål for størrelsen av spredning på enkeltpartikler er spredningstverrsnittet som betegnes med den greske bokstaven σ. Dette er et areal hvis størrelse vanligvis har lite å gjøre med hvor stor sprederen er, men heller hvor lang dens rekkevidde er. Desto lengre denne er, desto flere av de innkommende partiklene vil forandre retning og desto større blir spredningstverrsnittet. Det skjer for eksempel når partiklene har elektrisk ladning og de påvirker hverandre med Coulomb-kraften. Dermot har den sterke kjernekraften en meget kort rekkevidde slik at de tilsvarende spredningstverrsnittene blir mye mindre og måles i den spesielle enheten barn. 

Intensiteten av en lysstråle som går gjennom et medium eller materiale, vil svekkes ved at en del av det innkommende lyset blir spredt til sides. Men en del vil også bli absorbert ved partikler i materialet. Slik spredning og absorpsjon skjer ofte samtidig. For eksempel ser en gjenstand rød ut, fordi komplementærfargen absorberes, mens den røde delen reflekteres ved spredning.

Den totale svekkelse av det innkommende lyset skyldes begge effektene og beskrives ved Beer-Lamberts lov. Den sier at etter å ha tilbakelagt en veistrekning z, er den innkommende intensiteten I0 redusert til

 

hvor konstanten κ er den totale absorpsjonskoeffisienten. Den uttrykker hvor mye lys som forsvinner fra fremoverretningen i et tynt sjikt av materialet. Hvis hver partikkel i sprederen har et totalt spredningstverrsnitt  som skyldes både spredning og absorpsjon, er den gitt som

 

når materialet har en tetthet n med slike partikler som spreder. Det totale spredningstverrsnittet kan derfor måles direkte fra denne reduksjonen av intensiteten. Samme lov beskriver også det totale antall partikler som absorberes og spredes bort fra fremoverretning av røntgenstråling og radioaktiv stråling. Dette benyttes i tilsvarende stråleterapier.

Elastisk spredning

Spredning av partikler kan i kvantemekanikken beskrives på samme måte som spredning av bølger. Hvis den kommer inn langs z-aksen  med bølgelengde λ, kan den beskrives som den plane bølgen  eikz  hvor  er bølgetallet. Den elastisk spredte bølgen har samme bølgelengde og er en utgående kulebølge. Hvis θ er spredningsvinkelen, vil størrelsen til denne bølgen være gitt ved spredningsamplituden f (θ ). Generelt vil den ha en kompleks verdi. På dette vis resulterer spredningen i den totale bølgen 

 

der z = r cosθ. Den beskriver hele spredningsprosessen og er gyldig for både lys og partikler.

Mens amplituden f (θ ) bestemmer det differensielle virkningsstverrsnittet for elastisk spredning ved sammenhengen

 ,

vil den også inneholde informasjon om det totale spredningstverrsnittet σT. Det følger fra det optiske teoremet som sier at

 

Fysisk skjer dette ved destruktiv interferens mellom den innkommende bølgen i fremover-retning og den elastisk spredte bølgen i samme retning. På den måten blir intensiteten av den innkommende strålingen svekket, noe som definerer det totale virkningstverrsnittet.

Ikke-relativistisk kinematikk

To ikke-relativistiske partikler med masser m1 og m2 som kolliderer med hverandre, utgjør et  tolegemeproblem. Etter kollisjonen vil de ved elastisk spredning opptre med de samme massene, men bevege seg i andre retninger. Denne prosessen kan formelt beskrives som 

 

Hvis hastighetene til partiklene opprinnelig er v1 og v2, vil de etter kollisjonen betegnes som v'1 og v'2. Bevarelse av total impuls betyr nå at

 

Da kollisjonen er antatt å være elastisk, vil også den totale energien før og etter kollisjonen være den samme,

 

Dette kravet vil være avgjørende ved bestemmelse av partiklenes hastigheter etter spredningen.

Massesenteret for de to partiklene vil da bevege seg med en konstant hastighet 

 

Av denne grunn er det derfor ofte enklere å beskrive spredningsprosessen i dette massesentersystemet. Her vil de to partiklene ha hastighetene 

 

 

hvor 

 

er partiklenes reduserte masse og v = v1 - v2 = u1 - u2 deres relative hastighet. I dette spesielle referansesystemet har de to partiklene like store og impulser i motsatt retning da  = . Hvis den ene partikkelen spredes i retning θ, vil derfor den andre spredes i motsatt retning π - θ. Istedenfor å betrakte en kollisjon mellom to partikler, har man her spredning av én partikkel på et senter som ligger i ro. Den kinematiske beskrivelsen er derfor mye enklere i massesentersystemet.

Spredningsvinkler

Eksperimentelt er det ofte enklest å studere elastisk spredning ved at sprederen ligger i ro i laboratoriet. Den innkommende partikkelen har i dette systemet en hastighet v1, mens v2 = 0.  Den relative hastigheten er da v = v1, mens massesenteretet beveger seg med hastighet . Etter kollisjonen vil de begge bevege seg med forskjellige hastigheter i ulike retninger. Hvis spredningsvinkelen for partikkelen med masse m1 er φ, er det da av interesse å finne den tilsvarende vinkelen  θ i massesentersystemet.

Etter kollisjonen har denne partikkelen hastighetene v'1 og u'1 = v'1  - vc i disse to referansesystemene. Tar man komponentene av denne sammenhengen langs og vinkelrett på den innkommende retningen, får man ligningene

 

I massesentersystemet er hastighetene før og etter kollisjonen de samme slik at {{nowrap|u'''1  u1}} = (m/m1)v1. Ved å eliminere hastigheten v' 1 fra de to ligningene, står man dermed igjen med sammenhengen 

 

mellom spredningsvinklene i de to systemene.

Hvis den innkommende partikkelen er mye lettere enn sprederen, vil m1/m2 &ll; 1 slik at man  tilnærmet har . Massesentersystemet er da sammenfallende med laboratoriesystemet. Derimot i det speseille tilfellet at de to massene er like store, finner man at  ved bruk av en trigonometrisk identitet for den halve vinkel. Spredningsvinkelen i laboratoriesystemet kan derfor ikke bli større enn 90°.

Uelastisk spredning

Ved spredning av to partikler, kan nye partikler oppstå. På den måten kan en slik prosess gi mer interessant informasjon enn hva som resulterer fra elastisk spredning. Derfor er uelastisk spredning av stor betydning både i kjernefysikk og elementærpartikkelfysikk. 

Et historisk viktig eksempel er den første spaltingen av en atomkjerne som Ernest Rutherford observerte i 1919. Han studerte spredning av α-partikler og oppdaget at når disse kolliderte med nitrogenatomer, kom det ut H-kjerner (protoner) med stor energi. Videre undersøkelser viste at  den underliggende kjernereaksjonen var α + 14N → 17O + p som er en typisk, uelastisk prosess.

Generelt kan man betegne en slik spredningsprosess ved reaksjonsligningen

 

når det er to partikler i sluttilstanden. Den må oppfylle impulsbevarelse som ved elastisk spredning, men bevarelse av energi må ta hensyn til at massene til de to utgående partiklene m3 og m4 vil være forskjellige fra massene til de kolliderende partiklene. Dette gjøres ved bruk av   masseenergiloven slik at den totale energien for hver av partiklene kan skrives som Ei = mi c2 + Ki  hvor c er lyshastigheten. Uttrykket for den  kinetiske energien Ki  er som ved elastisk spredning  når partiklene har ikke-relativistiske hastigheter v &ll; c. Ved igjen å anta at partikkel m2 ligger i ro i laboratoriesystemet, kan dermed energibalansen skrives som

 

Mens den totale kinetiske energien i  laboratoriesystemet til de kolliderende partiklene er gitt ved K1 alene, vil den i massesentersystemet få bidrag fra begge partiklene. Fra hastighetene u1 og u2 finner man den som Kcm = (m/m1)K1. Dennes størrelse er avgjørende for å kunne produsere nye partikler m3 og m4 som kanskje er tyngre enn de opprinnelige partiklene. Den kritiske verdien er bestemt ved at begge de nye partiklene blir produsert liggende i ro i massesentersystemet, det vil si

 

I  laboratoriesystemet tilsvarer dette derfor den kinetiske energien 

 

hvor den såkalte Q-verdien for prosessen er

 

Når partiklene i sluttilstanden er tyngre enn partiklene i begynnelsestilstanden, er Q'' < 0. Det betyr at den spredende partikkel må ha tilstrekkelig høy energi i  laboratoriesystemet for at prosessen i det hele tatt vil finne sted.

Se også
 Rayleigh-spredning
 Mie-spredning
 Rutherford-spredning
 Thomson-spredning
 Delbrück-spredning
 Compton-spredning

Referanser

Fysikk