پراکندگی الکترون

پراکندگی الکترون زمانی رخ می‌دهد که الکترون‌ها از مسیر اصلی خود منحرف شوند. این پدیده به دلیل نیروهای الکترواستاتیکی موجود در ماده روی می‌دهد و اگر یک میدان مغناطیسی خارجی وجود داشته باشد، ممکن است تحت تأثیر نیروی لورنتس منحرف شود. این نوع پراکندگی معمولاً در مواد جامد مانند فلزها، نیمه‌رساناها و عایق‌ها رخ می‌دهد؛ یکی از عوامل محدودکننده در مدارهای مجتمع (Integrated circuits) و ترانزیستورها به‌شمار می‌رود.

پراکندگی الکترون کاربردهای بسیار گسترده‌ای دارد؛ از استفاده از الکترون‌های تندرو در میکروسکوپ‌های الکترونی گرفته تا کاربرد در انرژی‌های بسیار بالا در سامانه‌های هادرونی که امکان اندازه‌گیری توزیع بار در نوکلئون‌ها و بررسی ساختار هسته‌ای را فراهم می‌کند. پدیدهٔ پراکندگی الکترون این امکان را فراهم کرده که جزئیات بسیاری از ساختار اتمی را بشناسیم؛ از آرایش اتم‌ها در مواد گرفته تا اینکه پروتون‌ها و نوترون‌ها خود از ذرات بنیادی کوچک‌تری به نام کوارک تشکیل شده‌اند.

الکترون‌ها هنگام عبور از یک جامد می‌توانند به چندین شیوه پراکنده شوند:

* **بدون پراکندگی:** هیچ پراکندگی‌ای رخ نمی‌دهد و پرتو بدون انحراف از نمونه عبور می‌کند.
* **پراکندگی تک‌گانه (Single scattering):** الکترون تنها یک‌بار پراکنده می‌شود.
* **پراکندگی چندگانه محدود (Plural scattering):** الکترون یا الکترون‌ها چندبار پراکنده می‌شوند.

**پراکندگی چندگانه گسترده (Multiple scattering):** الکترون یا الکترون‌ها بارها و بارها پراکنده می‌شوند.

احتمال وقوع و شدت یا میزان پراکندگی تابعی از ضخامت نمونه و طول آزاد میانگین (Mean free path) است.

## تاریخچه
اصل وجود الکترون نخستین‌بار در فاصلهٔ سال‌های ۱۸۳۸ تا ۱۸۵۱ توسط ریچارد لامینگ (Richard Laming)، فیلسوف طبیعی، مطرح شد. او دربارهٔ وجود ذرات زیراتمی با بار واحد حدس‌هایی ارائه داد؛ همچنین اتم را به‌صورت یک «الکتروسفر (Electrosphere)» شامل پوسته‌های متحدالمرکز از ذرات باردار که یک هستهٔ مادی را احاطه کرده‌اند، تصور می‌کرد.

به‌طور کلی پذیرفته شده است که جی. جی. تامسون (J .J. Thomson) نخستین کسی بود که در ۱۸۹۸ الکترون را کشف کرد؛ هرچند افراد برجستهٔ دیگری نیز در توسعهٔ نظریهٔ ذرات باردار نقش داشتند، از جمله: جرج جانستون استونی (George Johnstone Stoney) که نخستین‌بار واژهٔ «الکترون» را ابداع کرد، امیل ویشرت (Emil Wiechert) که نخستین کسی بود که کشف مستقل خود دربارهٔ الکترون را منتشر کرد، والتر کاوفمان (Walter Kaufmann)، پیتر زیمان (Pieter Zeeman) و هندریک لورنتس (Hendrik Lorentz).

پراکندگی کامپتون (Compton scattering) نخستین‌بار در ۱۹۲۳ در دانشگاه واشنگتن در سنت‌لوئیس توسط آرتور کامپتون (Arthur Compton) مشاهده شد؛ او به‌سبب این کشف در سال ۱۹۲۷ جایزهٔ نوبل فیزیک را دریافت کرد. دانشجوی تحصیلات تکمیلی او، Y. H. Woo، که نتایج را بیشتر تأیید کرد، شایان ذکر است. پراکندگی کامپتون معمولاً در ارتباط با برهم‌کنش الکترون‌های اتم ذکر می‌شود، با این حال پراکندگی کامپتون هسته‌ای نیز وجود دارد.

نخستین آزمایش پراش الکترونی در سال ۱۹۲۷ توسط کلینتون دیویسون (Clinton Davisson) و لستر گرمر (Lester Germer) انجام شد؛ ابزاری که آن‌ها ساختند بعدها به نمونهٔ اولیهٔ سامانهٔ LEED مدرن (Low-energy electron diffraction) تبدیل شد. این آزمایش توانست ماهیت موج‌گونهٔ الکترون‌ها را نشان دهد و بدین ترتیب فرضیهٔ دوبروی (de Broglie) مبنی‌بر موجی‌بودن ذرات ماده را تأیید کرد. پس از این دوره، توجه به LEED کاهش یافت و پراش الکترون‌های پرانرژی محبوبیت پیدا کرد تا اینکه در اوایل دههٔ ۱۹۶۰ علاقه به LEED دوباره احیا شد؛ از افراد برجسته در این دوره می‌توان به اچ. ای. فارنزورث (H. E. Farnsworth) اشاره کرد که به توسعهٔ تکنیک‌های LEED ادامه داد.

تاریخچه پرتوهای الکترون- الکترون پرانرژی برای برخوردها از سال ۱۹۵۶ آغاز می‌شود. زمانی که جرارد کی. اونیل (Gerard K. O'Neill) از دانشگاه پرینستون به برخوردهای پرانرژی علاقه‌مند شد و ایدهٔ شتاب‌دهنده‌هایی که به حلقه‌های ذخیره (Storage rings) تزریق می‌کنند، مطرح کرد. هرچند مفهوم برخورد پرتو- پرتو (Beam-beam collisions) از حدود دههٔ ۱۹۲۰ مطرح شد اما تا سال ۱۹۵۳ طول کشید تا رولف ویدرو (Rolf Widerøe) حق ثبت اختراع آلمانی برای دستگاه برخورددهندهٔ پرتوها به‌دست آورد.

## پدیده‌ها

الکترون‌ها می‌توانند توسط سایر ذرات باردار از طریق نیروهای کولنی الکترواستاتیکی پراکنده شوند. افزون‌بر این، اگر میدان مغناطیسی وجود داشته باشد، الکترون درحال حرکت توسط نیروی لورنتس (Lorentz force) منحرف می‌شود. یک توصیف بسیار دقیق از تمام انواع پراکندگی الکترون شامل جنبه‌های کوانتومی و نسبیتی توسط نظریهٔ الکترودینامیک کوانتومی (QED) ارائه می‌شود.

### نیروی لورنتس
بندانگشتی|مسیر یک '''الکترون''' با سرعت '''v''' در یک میدان مغناطیسی '''B'''. در این شکل، دایرهٔ نقطه‌چین به‌معنای میدان مغناطیسی رو به '''بیرون''' از صفحه و دایرهٔ ضربدر به‌معنای میدان مغناطیسی رو به '''داخل''' صفحه است.نیروی لورنتس که به نام فیزیک‌دان هلندی هندریک لورنتس نام‌گذاری شده، برای یک ذرهٔ باردار q (در دستگاه SI) به‌صورت زیر داده می‌شود:

\boldsymbol{F} = q\boldsymbol{E} + q\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B}

در این رابطه، عبارت q**E** نیروی الکتریکی ناشی از میدان الکتریکی موجود **E** را که بر ذرهٔ باردار q اثر می‌گذارد، توصیف می‌کند. عبارت *q*'v*** × ***B*** نیروی مغناطیسی ناشی از میدان مغناطیسی '''B''' را توصیف می‌کند که هنگام حرکت ذره با سرعت '''v''' بر آن اثر می‌گذارد.

این رابطه را می‌توان به‌شکل زیر نوشت:

<math>\boldsymbol{F} = q[- \nabla \phi - \frac{d\boldsymbol{A}}{dt} + \nabla(\boldsymbol{A} \cdot \boldsymbol{v})]</math>

که در آن <math>\phi</math> '''پتانسیل الکتریکی (Electric potential)''' و '''A پتانسیل برداری مغناطیسی (Magnetic vector potential)''' است.

نخستین‌بار [[الیور هویساید|الیور هوی‌ساید (Oliver Heaviside)]] در سال‌های ۱۸۸۵ و ۱۸۸۹ رابطهٔ صحیح بخش مغناطیسی نیروی لورنتس یعنی ''q'''v*** × ***B*** استخراج کرد.

هندریک لورنتس در سال ۱۸۹۲ این مفهوم را بسط داد و نام او بر آن نهاده شد، هنگامی که نیروهای ناشی از میدان الکتریکی را نیز به آن افزود.

با نوشتن این رابطه به‌صورت معادلهٔ حرکت برای یک ذرهٔ آزاد با بار q و جرم m داریم:

m\frac{d\boldsymbol{v}}{dt} = q\boldsymbol{E} + q\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B}

و در حالت نسبیتی (Relativistic) با درنظر گرفتن انقباض لورنتس، این رابطه به‌شکل زیر درمی‌آید:

m\frac{d\gamma\boldsymbol{v}}{dt} = q\boldsymbol{E} + q\boldsymbol{v} \times \boldsymbol{B}

که در آن γ عامل لورنتس است و به‌صورت زیر تعریف می‌شود:

\gamma (v) \equiv \frac{1}{\sqrt{1-v^2/c^2}}

این معادلهٔ حرکت نخستین‌بار در ۱۸۹۷ در آزمایش جی. جی. تامسون دربارهٔ پرتوهای کاتدی تأیید شد؛ او نشان داد که انحراف این پرتوها در میدان مغناطیسی ناشی از حرکت جریان ذرات بارداری است که امروز آن‌ها را الکترون می‌نامیم.

صورت‌های گوناگون این رابطه نیروی مغناطیسی وارد بر یک سیم حامل جریان (که گاهی نیروی لاپلاس نامیده می‌شود)، نیروی محرکه الکتریکی در یک حلقهٔ سیم درحال حرکت در میدان مغناطیسی (جنبه‌ای از قانون القای فارادی) و نیروی وارد بر ذره‌ای که ممکن است با سرعت نزدیک‌به سرعت نور حرکت کند (صورت نسبیتی نیروی لورنتس) را توصیف می‌کند.

### نیروی کولنی الکترواستاتیکی
بندانگشتی|مقدار مطلق نیروی '''F''' میان دو بار نقطه‌ای q و Q به فاصلهٔ r بین دو بار و همچنین به حاصل‌ضرب سادهٔ مقدار بارها بستگی دارد. نمودار نشان می‌دهد که بارهای همنام یکدیگر را دفع و بارهای ناهمنام یکدیگر را جذب می‌کنند.
بندانگشتی|در تصویر، بردار '''''F'''''<sub>1</sub> نیروی وارد بر ''q''<sub>1</sub> و بردار '''''F'''''<sub>2</sub> نیروی وارد بر ''q''<sub>2</sub> را نشان می‌دهد. وقتی ''q''<sub>1</sub>''q''<sub>2</sub> > 0 باشد، نیروها دافعه هستند (مطابق شکل) و وقتی ''q''<sub>1</sub>''q''<sub>2</sub> < 0 باشد، نیروها جاذبه خواهند بود (برخلاف شکل). بزرگی نیروها همیشه برابر است. در این حالت: <math>\mathbf{F} = k \frac{q_1 q_2}</math> 



بردار یکه در راستای بردار فاصله (از ''q''<sub>2</sub> به‌سمت ''q''<sub>1</sub>) است. فرم برداری رابطهٔ بالا نیروی '''''F'''''<sub>1</sub> وارد بر ''q''<sub>1</sub> از طرف ''q''<sub>2</sub> را به‌دست می‌دهد. اگر به‌جای آن از '''''r'''''<sub>21</sub> استفاده شود، می‌توان اثر آن بر ''q''<sub>2</sub> را یافت. این موضوع همچنین از قانون سوم نیوتن نتیجه می‌شود: '''F'''<sub>2</sub> = −'''F'''<sub>1</sub>**نیروی کولنی الکترواستاتیکی** که با نام‌های **برهم‌کنش کولنی** و **نیروی الکترواستاتیکی** نیز شناخته می‌شود، به نام شارل- آگوستن دو کولن (Charles-Augustin de Coulomb) ثبت شده‌است که این قانون را در سال ۱۷۸۵ منتشر کرد. این قانون جذب یا دفع ذرات را به‌سبب بار الکتریکی آن‌ها توصیف می‌کند.

قانون کولن بیان می‌کند که:

بزرگی نیروی الکتریکی میان دو بار نقطه‌ای، به‌طور مستقیم با حاصل‌ضرب مقدار بارها متناسب است و به‌طور معکوس با مربع فاصلهٔ میان آن‌ها رابطه دارد.

این رابطه به‌صورت زیر داده می‌شود:

F = \frac{4 \pi \epsilon_0 r^2}

و در حالت برداری:

\boldsymbol{F} = \frac{q_1 q_2}{4 \pi \epsilon_0 |\boldsymbol{r}|^2}\boldsymbol{\hat{r}}

که در آن *q*1 و *q*2 دو بار نقطه‌ای،  بردار یکه در راستای فاصلهٔ بین بارها و ε0  گذردهی الکتریکی خلأ (Permittivity of free space) است:

\epsilon_0 \approx \mathrm{8.854 \times 10^{-12}~C^2{\cdot}N^{-1}{\cdot}m^{-2}}

راستای نیروهای وارد بر هر بار همواره در امتداد خط مستقیم وصل‌کنندهٔ دو بار است. این نیروها برداری، دارای برد بی‌نهایت و طبق قانون سوم نیوتن برهم‌کنندهٔ بزرگی برابر و جهت مخالف هستند. وقتی هر دو بار *q*1 *و q<sub>2</sub>* هم‌علامت باشند، نیرو دافعه و اگر مختلف‌‌العلامت باشند، نیرو جاذبه است. این نیروها از **اصل برهم‌نهی (Superposition principle)** پیروی می‌کنند؛ یعنی اگر بار سومی وارد شود، نیروی کل برابر مجموع برداری نیروهای تک‌تک بارها بر آن خواهد بود که این برای هرتعداد بار معتبر است. قانون کولن برای بارها در خلأ بیان شده است اما اگر فضای میان بارها شامل ماده باشد، باید گذردهی الکتریکی محیط را نیز درنظر گرفت:

F = \frac{4\pi\varepsilon_0\varepsilon_\text{r} r^2}

که در آن *ε*r گذردهی نسبی (Relative permittivity) محیط و بی‌بعد است.

### برخوردها
اگر دو ذره در یک فرایند پراکندگی (scattering process) با یکدیگر برهم‌کنش داشته باشند، پس از برهم‌کنش دو نتیجه وجود دارد.

#### برخورد کشسان

پراکندگی کشسان حالتی است که در آن برخورد میان ذرهٔ هدف و ذرهٔ فرودی موجب حفظ کامل انرژی جنبشی کل سیستم می‌شود. این موضوع بدین معنی است که هیچ‌گونه تکه‌تکه شدن (fragmentation) یا اتلاف انرژی رخ نمی‌دهد و حالت‌های درونی (Internal states) هر یک از ذرات نیز بدون تغییر باقی می‌ماند. به دلیل نبود پدیدهٔ شکستگی یا تغییر داخلی، برخوردهای کشسان در تقریب اول می‌توانند به صورت برخورد میان ذرات نقطه مانند (point-like particles) مدل‌سازی شوند؛ اصولی که برای ذره‌ای بنیادی مانند الکترون بسیار مفید است.

#### برخورد ناکشسان

پراکندگی ناکشسان حالتی است که در آن انرژی جنبشی کل، پس از برخورد، حفظ نمی‌شود و در نتیجه حالت‌های درونی یکی یا هر دو ذره تغییر می‌کند. این تغییر به‌دلیل آن است که بخشی از انرژی جنبشی به گرما، امواج (مانند صوت)، ارتعاشات میان ذرات تشکیل‌دهندهٔ هر یک از اجسام برخوردکننده یا سایر برانگیختگی‌ها مانند نور تبدیل می‌شوند. در برخی موارد، ذرات ممکن است به چند بخش شکسته شوند و انرژی می‌تواند صرف شکستن پیوندهای شیمیایی میان اجزای آن‌ها شود.

تکانه (Momentum) در هردو نوع پراکندگی کشسان و ناکشسان حفظ می‌شود. علاوه‌بر پراکندگی، نتایج دیگری نیز ممکن است رخ دهد، از جمله: واکنش‌ها (Reactions) که در آن ساختار ذرات درگیر تغییر می‌کند و ذراتی جدید و پیچیده‌تر تولید می‌شوند؛ خلق ذرات جدید که شامل تولید ذراتی است که ذرات اولیه به‌طور ذاتی حامل آن‌ها نبوده‌اند.

## انواع دیگر پراکندگی

### پراکندگی الکترون- مولکول
پراکندگی الکترون توسط اتم‌ها و مولکول‌های منفرد در فاز گاز رخ می‌دهد. این پدیده نقش اساسی در فیزیک و شیمی پلاسما داشته و برای کاربردهایی نظیر فیزیک نیمه‌هادی‌ها اهمیت بالایی دارد. پراکندگی الکترون- مولکول/ اتم (Electron-molecule/atom scattering) معمولاً با مکانیک کوانتومی توصیف می‌شود. روش غالب برای محاسبهٔ سطح مقطع‌ها (cross sections) استفاده از روش R-matrix است. 

### پراکندگی کامپتون
بندانگشتی|نمودار فاینمن پراکندگی کامپتون
پراکندگی کامپتون ، نام‌گذاری شده به‌افتخار آرتور کامپتون که نخستین‌بار این پدیده را در سال ۱۹۲۲ مشاهده کرد و جایزهٔ نوبل فیزیک سال ۱۹۲۷ را دریافت نمود، یک پراکندگی ناکشسان میان فوتون پرانرژی و یک ذرهٔ باردار آزاد است.

در سال ۱۹۲۳، با تاباندن تابش با طول موج مشخص (در این مورد، پرتوی ایکس) به یک هدف کربنی نشان داده شده که الگوی پراکندگی به هیچ‌وجه با نظریهٔ کلاسیک تابش سازگار نیست. کامپتون مقاله‌ای با عنوان «نظریهٔ کوانتومی پراکندگی پرتوهای ایکس توسط عناصر سبک» در مجلهٔ «Physical Review» منتشر کرد. پدیدهٔ کامپتون را می‌توان چنین توصیف کرد: فوتون‌های پرانرژی به‌طور ناکشسان با الکترون‌های منفرد برخورد می‌کنند. فوتون ورودی بخشی از انرژی خود را به الکترون منتقل می‌کند و فوتون پراکنده‌شده دارای انرژی، فرکانس کمتر و طول موج بزرگ‌تر خواهد بود. مطابق رابطهٔ پلانک:

E = h \nu = h f

که در آن E انرژی فوتون، v یا f فرکانس و h ثابت پلانک است. تغییر طول موج در این پراکندگی تنها به زاویهٔ پراکندگی برای یک ذرهٔ هدف داده‌شده وابسته است.

این کشف در دههٔ ۱۹۲۰ اهمیت ویژه‌ای داشت؛ چراکه ماهیت ذره‌ای نور که توسط اثر فوتوالکتریک مطرح شده بود، هنوز مورد بحث قرار داشت. آزمایش کامپتون شواهد مستقل و قاطع از رفتار ذره‌گون فوتون ارائه داد.

فرمولی که جابه‌جایی کامپتون (Compton shift) در طول موج ناشی از پراکندگی را توصیف می‌کند، به‌صورت زیر است:

\lambda_\text{f} - \lambda_\text{i} = \frac{h}{m_\text{e}c}(1 - \cos\theta)

که در آن *λ*f طول موج نهایی فوتون **پس از** پراکندگی، *λ*i طول موج اولیهٔ فوتون **قبل از** پراکندگی، h ثابت پلانک، *m*e جرم سکون الکترون، c سرعت نور و θ زاویهٔ پراکندگی فوتون است.

ضریب ((cos θ)−۱) طول موج کامپتون (Compton wavelength) نامیده می‌شود؛ هرچند در واقع تنها ضریب تناسب برای تغییر طول موج است. این برخورد باعث می‌شود طول موج فوتون بین صفر (برای زاویهٔ پراکندگی ۰ درجه) و دوبرابر طول موج کامپتون (برای زاویهٔ پراکندگی ۱۸۰ درجه) افزایش یابد.

**پراکندگی تامسون** توصیف کلاسیک و **کشسان** از این فرایند است و برای فوتون‌های کم‌انرژی و میان‌انرژی صدق می‌کند. نظریهٔ کلاسیک موج الکترومغناطیس قادر به توضیح تغییرات کوچک طول موج نیست و تنها رفتار کشسان را توصیف می‌کند.

**پراکندگی کامپتون معکوس (Inverse Compton scattering)** زمانی رخ می‌دهد که الکترون درحال حرکت بوده و انرژی جنبشی آن از انرژی فوتون بیشتر باشد. در این شرایط، انتقال انرژی از الکترون به فوتون اتفاق می‌افتد. در اخترفیزیک، پراکندگی کامپتون معکوس زمانی دیده می‌شود که یک فوتون کم‌انرژی (مانند فوتون‌های تابش زمینهٔ ریزموج کیهانی) با یک الکترون پرانرژی و نسبیتی برخورد می‌کند. چنین الکترون‌هایی در ابرنواخترها و هسته‌های فعال کهکشانی تولید می‌شوند.

### پراکندگی مولر
بندانگشتی|نمودار فاینمن پراکندگی مولر

### پراکندگی مات

### پراکندگی بهابها

### تابش ترمزی

### پراکندگی ناکشسان ژرف

### تابش سنکروترون
وقتی یک ذرهٔ باردار مانند الکترون شتاب می‌گیرد– چه شتاب خطی و چه حرکت در مسیر دایروی– تابش الکترومغناطیسی منتشر می‌کند. در حلقه‌های ذخیره الکترونی و شتاب‌دهنده‌های حلقوی که سنکروترون نام دارند، الکترون‌ها در مسیر دایروی منحرف می‌شوند و معمولاً پرتوی ایکس گسیل می‌کنند. این تابش الکترومغناطیسی که عمود بر سرعت (\boldsymbol{a}\perp \boldsymbol{v}) گسیل می‌شود و از شتاب گرفتن ذرات باردار ناشی است، **تابش سنکروترونی (synchrotron radiation)** نام دارد. این تابش در سنکروترون‌ها توسط آهنرباهای خمشی (bending magnets)، آندولاتورها (undulators) و ویگلرها (wigglers) تولید می‌شود.

نخستین مشاهدهٔ تابش سنکروترونی در ۲۴ آوریل ۱۹۴۷ در آزمایشگاه تحقیقاتی «General Electric» در اسکنکتدی نیویورک انجام شد. این مشاهده در سنکروترونی بود که توسط گروهی به رهبری هرب پولاک (Herb Pollack) برای آزمون اصل پایداری فاز در شتاب‌دهنده‌های RF ساخته شده بود. هنگامی که تکنسین با استفاده از یک آینه برای بررسی جرقه‌زدن لوله به اطراف حفاظ نگاه می‌کرد، یک قوس روشن نور از پرتوی الکترونی مشاهده کرد. رابرت لنگمویر (Robert Langmuir) نخستین کسی بود که آن را به‌عنوان تابش سنکروترونی تشخیص داد؛ هرچند او آن را «تابش شوینگر (Schwinger radiation)» به‌افتخار جولیان شوینگر (Julian Schwinger) نامید.

توان تابش‌یافتهٔ یک الکترون شتاب‌دار کلاسیک به‌صورت زیر است:

P=\frac{2}{3}\frac{e^2}{4\pi \varepsilon_0 c^2} a^2

این رابطه فرمول لارمور (Larmor formula) است که در آن *ε*0 گذردهی خلأ، e بار الکترون، c سرعت نور و a شتاب است. در یک مدار دایروی مانند حلقهٔ ذخیره، در حالت غیر نسبیتی شتاب همان شتاب مرکزگرا است اما در یک حلقهٔ ذخیرهٔ واقعی، شتاب بسیار نسبیتی بوده و به‌صورت زیر به‌دست می‌آید:

a_\text{non-relativistic} = \frac{v^2}{r} \rightarrow a_\text{relativistic} = \frac{1}{m} \frac{dp}{d\tau} = \frac{1}{m} \gamma \frac{d(\gamma m v)}{dt} = \gamma^2 \frac{dv}{dt} = \gamma^2 \frac{v^2}{r}

که در آن v سرعت دایره‌ای، r شعاع شتاب‌دهندهٔ دایره‌ای، m جرم سکون ذرهٔ باردار، p تکانه، *τ* زمان ویژه (*t*/*γ)* ، γ عامل لورنتس است. توان تابشی به‌صورت زیر محاسبه می‌شود:

P=\frac{2}{3} \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0 c^2} \left( \frac{\gamma^2 v^2}{r} \right)^2 = \frac{2}{3} \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0 c^2} \frac{\gamma^4 v^4}{r^2}

برای ذرات بسیار نسبیتی، به‌طوری که سرعت تقریباً ثابت می‌شود، عامل *γ<sup>۴</sup>* متغیر غالب در تعیین نرخ اتلاف می‌شود، به این معنی که اتلاف به‌صورت توان چهارم انرژی ذره *γmc<sup>۲</sup>* مقیاس می‌شود و وابستگی معکوس اتلاف تابش سنکروترون به شعاع، ساخت شتاب‌دهنده تا حد امکان بزرگ را توجیه می‌کند.

## تأسیسات

### SLAC
بندانگشتی|عکس هوایی از مرکز شتاب‌دهندهٔ خطی استنفورد با مجموعهٔ آشکارساز در سمت راست (شرق)

**مرکز شتاب‌دهندهٔ خطی استنفورد (Stanford Linear Accelerator Center)** در نزدیکی دانشگاه استنفورد، کالیفرنیا واقع شده است. ساخت این شتاب‌دهندهٔ خطی به‌طول ۳ کیلومتر (۲ مایل) در سال ۱۹۶۲ آغاز شد و در سال ۱۹۶۷ تکمیل گردید. در سال ۱۹۶۸، اولین شواهد تجربی کوارک‌ها کشف شد که منجر به دریافت جایزهٔ نوبل فیزیک ۱۹۹۰ توسط ریچارد تیلور (Richard Taylor) و جروم فریدمن (Jerome I. Friedman) از SLAC و هنری کندال (Henry Kendall) از MIT شد. این شتاب‌دهنده ظرفیت شتاب‌دهی الکترون تا ۲۰GeV را داشت؛ درحالی‌که آزمایش‌های آن شبیه آزمایش پراکندگی رادرفورد با ذرات آلفا و انرژی تنها ۷MeV انجام می‌شد. در مورد SLAC، ذرهٔ برخوردکنندهٔ الکترون و هدف پروتون بود و به‌دلیل طول موج کوتاه الکترون (ناشی از انرژی و تکانهٔ بالا)، امکان کاوش در داخل پروتون فراهم شد. افزودن حلقهٔ نامتقارن الکترون پوزیترون استنفورد ((SPEAR) Stanford Positron Electron Asymmetric Ring) به SLAC موجب شد کشفیات بیشتری امکان‌پذیر شود، از جمله کشف ذرهٔ J/psi در سال ۱۹۷۴ که شامل یک جفت کوارک چرم و ضدچرم است و جایزهٔ نوبل فیزیک ۱۹۹۵ شد.

هدف SLAC این است که به یک آزمایشگاه شتاب‌دهندهٔ برجسته تبدیل شود و برنامه‌های استراتژیک در زمینهٔ فیزیک ذرات، اخترفیزیک ذرات و کیهان‌شناسی و همچنین کاربردهای مرتبط با کشف داروهای جدید، مواد جدید برای الکترونیک، تولید انرژی پاک و پاکسازی محیط زیست دنبال شود. تا نوامبر ۲۰۱۲ چی- چانگ کائو (Chi-Chang Kao) به‌عنوان پنجمین مدیر SLAC منصوب شد؛ وی یک دانشمند برجستهٔ پرتوی ایکس است که در سال ۲۰۱۰ برای خدمت به‌عنوان مدیر ارشد آزمایشگاه  Stanford Synchrotron Radiation Lightsource به SLAC پیوست.

#### BaBar

#### SSRL – Stanford Synchrotron Radiation Lightsource  سایر برنامه‌های علمی که در SLAC اجرا می‌شوند، عبارتند از:
* Advanced Accelerator Research
* ATLAS/Large Hadron Collider
* Elementary Particle Theory
* EXO – Enriched Xenon Observatory
* FACET – Facility for Advanced Accelerator Experimental Tests
* Fermi Gamma-ray Space Telescope
* Geant4
* KIPAC – Kavli Institute for Particle Astrophysics and Cosmology
* LCLS – Linac Coherent Light Source
* LSST – Large Synoptic Survey Telescope
* NLCTA – Next Linear Collider Test Accelerator
* Stanford PULSE Institute
* SIMES – Stanford Institute for Materials and Energy Sciences
* SUNCAT Center for Interface Science and Catalysis
* Super CDMS – Super Cryogenic Dark Matter Search

### RIKEN RI Beam Factory
RIKEN در سال ۱۹۱۷ به‌عنوان یک بنیاد تحقیقاتی خصوصی در توکیو تأسیس شد و اکنون بزرگ‌ترین مؤسسهٔ جامع پژوهشی ژاپن به شمار می‌رود. این مؤسسه به‌سرعت در اندازه و دامنهٔ فعالیت رشد کرده و امروزه به‌دلیل کیفیت بالای پژوهش‌هایش در دامنه‌ای گسترده از رشته‌های علمی مشهور است و شامل شبکه‌ای از مراکز و مؤسسات تحقیقاتی سطح جهانی در سراسر ژاپن می‌باشد.  

**RIKEN RI Beam Factory**، که به نام مرکز نی‌شینا RIKEN (برای علوم مبتنی‌بر شتاب‌دهنده) نیز شناخته می‌شود، یک تأسیسات تحقیقاتی مبتنی‌بر سیکلوترون است که از سال ۲۰۰۷ فعالیت خود را آغاز کرده است؛ یعنی ۷۰ سال پس از نخستین سیکلوترون ژاپنی که توسط دکتر یوشیو نی‌شینا (Yoshio Nishina) ساخته شد و نام وی به این مرکز داده شده است.  

تا سال ۲۰۰۶، این مرکز دارای یک مجتمع شتاب‌دهندهٔ یون سنگین در سطح جهانی بوده است. این مجتمع شامل: یک سیکلوترون حلقوی K540-MeV، دو تزریق‌کنندهٔ متفاوت که یک شتاب‌دهندهٔ خطی یون سنگین با فرکانس متغیر (RILAC) و یک سیکلوترون K70-MeV AVF است. همچنین این مرکز دارای جداسازی قطعات پرتابه‌ای (RIPS) است که پرتوهای ایزوتوپ رادیواکتیو (RI) با جرم اتمی کمتر از ۶۰amu فراهم می‌کند و شدت بالاتری نسبت‌به سایر پرتوهای RI سبک دارد.  

تحت نظارت مرکز نی‌شینا، RI Beam Factory توسط پژوهشگران سراسر جهان مورد استفاده قرار می‌گیرد و تحقیقات در زمینهٔ فیزیک هسته‌ای، ذرات و هادرون‌ها را ترویج می‌کند. ترویج پژوهش‌های کاربردی شتاب‌دهنده‌ها یکی از مأموریت‌های مهم مرکز نی‌شینا است و شامل استفاده از تأسیسات شتاب‌دهندهٔ داخلی و خارجی می‌شود.  

#### SCRIT
تأسیسات **SCRIT** درحال حاضر در RIKEN RI beam factory در ژاپن درحال ساخت است. هدف این پروژه، مطالعهٔ هسته‌های کوتاه‌عمر از طریق آزمون پراکندگی کشسان الکترون برای بررسی توزیع چگالی بار است که آزمایش‌های اولیه با هسته‌های پایدار انجام شده است. نخستین پراکندگی الکترون روی ایزوتوپ‌های ناپایدار قلع (Sn) قرار بود در سال ۲۰۱۴ انجام شود.

پیش از این، مطالعهٔ هسته‌های رادیواکتیو کوتاه‌عمر (RI) با پراکندگی الکترون امکان‌پذیر نبود؛ زیرا نمی‌شد این هسته‌ها را به‌عنوان هدف آماده کرد. اکنون با ارائهٔ تکنیک نوین خود- محصورسازی RI (self-confining) در نخستین مرکز جهان برای مطالعهٔ ساختار هسته‌های کوتاه‌عمر با پراکندگی الکترون، این پژوهش امکان‌پذیر شده است. اصل این تکنیک بر پدیدهٔ به‌دام‌افتادن یون‌ها (ion trapping) مبتنی است که در تأسیسات حلقهٔ ذخیرهٔ الکترون مشاهده شده و معمولاً تأثیر منفی بر عملکرد حلقه‌های ذخیره دارد.

ایدهٔ نوین به‌کار رفته در SCRIT، استفاده از به‌دام‌انداختن یون‌ها برای ایجاد هدفی از RI کوتاه‌عمر روی پرتوی الکترون است تا بتوان آزمایش‌های پراکندگی را انجام داد. این ایده نخستین‌بار در حلقه‌ٔ ذخیرهٔ الکترون دانشگاه کیوتو (KSR) به‌صورت یک مطالعهٔ اثبات مفهوم (proof-of-principle) بررسی شد. در این مطالعه، هستهٔ پایدار ۱۳۳Cs به‌عنوان هدف استفاده شد و آزمایشی با مشخصات زیر انجام شد:

* انرژی پرتوی الکترون: ۱۲۰MeV
* جریان پرتوی ذخیره‌شده: ۷۵mA
* طول عمر پرتو: ۱۰۰s

نتایج این مطالعه موفقیت‌آمیز بود و الکترون‌های پراکنده‌شدهٔ کشسان از Cs به‌وضوح قابل مشاهده بودند.

## جستارهای وابسته

* اثر زیمان
* فیزیک ذرات
* پراش الکترون‌های کم‌انرژی
* الکترودینامیک کوانتومی

## منابع


رده:مقاله‌های ایجادشده توسط ایجادگر
رده:الکترواستاتیک
رده:الکترومغناطیس کلاسیک
رده:فیزیک مقدماتی
رده:مفاهیم فیزیکی
رده:الکترون
رده:پراکندگی