Неупругое рассеяние — это тип рассеяния, при котором энергия, затрачиваемая в процессе взаимодействия, преобразуется не только в изменение направления частицы, но и в изменение ее энергии. В отличие от упругого рассеяния, где вся энергия сохраняется и преобразуется только в кинетическую энергию частиц, в неупругом рассеянии часть этой энергии передается в другие формы, такие как теплоту или внутреннюю энергию частиц.
Неупругое рассеяние может происходить как на атомах, так и на молекулах, и включает взаимодействие между частицами, которое приводит к возбуждению внутренних степеней свободы рассеивателя. Это может быть как возбуждение электронных, так и колебательных или вращательных уровней молекул. Природа неупругого рассеяния сильно зависит от свойств рассеивателя и энергии падающих частиц.
Для математического описания неупругого рассеяния часто используется волновая функция, которая учитывает как изменение амплитуды волны, так и изменение ее частоты (энергии). Важно заметить, что в отличие от упругого рассеяния, где только угол рассеяния меняется, в неупругом рассеянии также изменяется энергия частиц.
Основной подход для описания неупругого рассеяния связан с теорией квантовых переходов, где применяется подход, основанный на методах матрицы плотности и теории возмущений. Это позволяет учесть не только изменения энергии, но и вероятности различных переходов, включая как разрешенные, так и запрещенные.
Амплитуда рассеяния: Амплитуда неупругого рассеяния T(E), как и в случае упругого рассеяния, зависит от энергии падающей частицы, однако она также включает поправки, связанные с возбуждением внутренних состояний рассеивателя.
Световое рассеяние (Раман-эффект): Один из наиболее известных примеров неупругого рассеяния — это эффект Рамана, при котором фотон, взаимодействуя с молекулой, теряет или приобретает энергию, изменяя свою частоту. Это рассеяние может использоваться для изучения колебательных уровней молекул, что важно для химического анализа и спектроскопии.
Рассеивающие эксперименты с нейтронами: Неупругое рассеяние нейтронов от атомов в веществе используется для получения информации о внутренней структуре материалов, а также для исследования динамики атомов в кристаллах. В таких экспериментах энергия нейтронов изменяется, что позволяет изучать колебательные движения атомов.
Рассеивающие эксперименты с электронами: В случае высокоэнергетических электронов, взаимодействующих с атомами, также может происходить неупругое рассеяние, которое ведет к возбуждению атомных состояний или даже ионизации атомов. Такие процессы могут быть использованы для анализа электронной структуры материалов.
Для описания и расчета сечений неупругого рассеяния в квантовой механике используется подход, основанный на возмущении волновых функций частиц и рассеивателя. Распределение вероятностей переходов между состояниями рассеивателя зависит от взаимодействий, которые могут быть как короткодействующими, так и длиннодействующими.
Сечение неупругого рассеяния: Как и в случае упругого рассеяния, сечение неупругого рассеяния можно выразить через амплитуду рассеяния и коэффициенты взаимодействия. Однако в этом случае важным дополнением является включение эффекта потери энергии на возбуждение внутренних степеней свободы:
$$ \sigma(E) = \frac{2\pi}{\hbar^2} \int \left| T(E) \right|^2 d\Omega $$
где E — энергия падающей частицы, T(E) — амплитуда рассеяния, а dΩ — элемент угла рассеяния.
Одним из факторов, влияющих на интенсивность неупругого рассеяния, является температура системы. При высоких температурах более вероятно возбуждение различных внутренних состояний рассеивателя, что увеличивает вероятность неупругого рассеяния. Это особенно важно в контексте изучения динамики молекул или атомов в газах и твердых телах.
Также энергия падающих частиц играет ключевую роль в характере рассеяния. При низких энергиях рассеяние может быть преимущественно упругим, в то время как с ростом энергии становится более вероятным возникновение неупругих процессов, связанных с возбуждением внутренних состояний.
Часто в рамках экспериментов с неупругим рассеянием важно учитывать потерю энергии частицами, которая может быть преобразована в теплоту или другие формы энергии. Этот процесс имеет значение, например, в астрофизике или в области ядерных реакторов, где взаимодействие частиц с веществом приводит к значительным тепловым эффектам.
Неупругое рассеяние играет важную роль в различных областях физики, от молекулярной спектроскопии до материаловедения и астрофизики. Понимание этого процесса позволяет глубже изучить взаимодействие частиц и раскрыть новые механизмы и явления, которые недоступны при исследовании только упругого рассеяния.