في الكيمياء والفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات، تعتبر الاستطارة غير المرنة عملية استطارة أساسية لا يتم فيها حفظ الطاقة الحركية للجسيم الساقط على عكس الانتثار المرن، ويشير الاصطدام غير المرن في الديناميت إلى العمليات التي لا يتم فيها حفظ الطاقة الحركية الكلية.
الاستطارة غير المرنة
يحدث الاستطارة غير المرنة بسبب التفاعلات بين الإلكترونات الساقطة وإلكترونات العينة، وتحدث آليات تفاعل مختلفة، وكلها تعتمد على نقل الطاقة، حيث يتم تحويل جزء كبير من الطاقة الممتصة في النهاية إلى حرارة، وهذا هو السبب الرئيسي لتلف العينة الناجم عن الحزمة.
يعتمد التوزيع الزاوي للانتثار غير المرن في الغالب على زوايا صغيرة جدًا، ويسمى استطارة أمامية، والتي تكون أصغر من زاوية قبول كاشفات BF النموذجية، وبالتالي فإن عدد الإلكترونات المسجلة بواسطة كاشف BF بالكاد يتأثر بعمليات الاستطارة غير المرنة، وبالتالي فإن الاختلافات في الإشارة المكتشفة في وضع BF أو DF ترجع في الغالب إلى الإلكترونات المتناثرة بشكل مرن.
وبشكل عام، تكون الاستطارة الناشئة عن الاصطدامات التي ليست فيها مرونة غير مرنة، ولكن نظرًا لأن التصادمات التي يوجد فيها مرونة تنقل الطاقة الحركية بين الجسيمات، فإن الاستطارة الناتجة عن الاصطدامات التي يوجد فيها مرونة يمكن أن يكون مرنًا أيضًا، كما هو الحال في تشتت كومبتون.
أنواع الاستطارة
الاستطارة غير المرنة في الإلكترون
عندما يكون الإلكترون هو الجسيم الساقط، فإن احتمال الاستطارة غير المرنة اعتمادًا على طاقة الإلكترون الساقط، يكون عادةً أصغر من الانتثار المرن. وبالتالي في حالة حيود إلكترون الغاز وانعكاس حيود الإلكترون عالي الطاقة وانحراف الإلكترون النافذ، نظرًا لأن طاقة الإلكترون الساقط عالية، يمكن تجاهل مساهمة استطارة الإلكترون غير المرنة، حيث قدمة الاستطارة العميقة غير المرنة للإلكترونات من البروتونات أول دليل مباشر على وجود الكواركات.
الاستطارة غير المرنة في الفوتون
عندما يكون الفوتون هو الجسيم الساقط، يكون هناك عملية استطارة غير مرنة تسمى استطارة رامان، وفي عملية الاستطارة هذه، يتفاعل الفوتون الساقط مع المادة (الغاز والسائل والصلب) ويتحول تردد الفوتون نحو اللون الأحمر أو الأزرق.
يمكن ملاحظة انزياح أحمر عندما تنقل القليل من طاقة الفوتون إلى المادة المتفاعلة، حيث يزيد إلى طاقته الداخلية في عملية تسمى استطارة ستوكس رامان، حيث يمكن ملاحظة الانزياح الأزرق عندما تنتقل الطاقة الداخلية للمادة إلى الفوتون، وتسمى هذه عملية استطارة رامان العكسية لستوكس، ويحدث التشتت غير المرن في التفاعل بين الإلكترون والفوتون.
عندما يصطدم فوتون عالي الطاقة بإلكترون حر، بتعبير أدق ارتباط ضعيف لأن الإلكترون الحر لا يمكنه المشاركة في الاستطارة غير المرنة مع الفوتون، وبنقل الطاقة تسمى العملية استطارة كومبتون، وعلاوة على ذلك عندما يصطدم إلكترون ذو طاقة نسبية مع الأشعة تحت الحمراء أو الفوتون المرئي، يعطي الإلكترون طاقة للفوتون، وتسمى هذه العملية استطارة كومبتون العكسي.
الاستطارة غير المرنة في النيوترونات
تخضع النيوترونات لأنواع كثيرة من الاستطارة، بما في ذلك الاستطارة المرنة وغير المرنة، ويعتمد حدوث الاستطارة المرن أو غير المرن على سرعة النيوترون، سواء أكان سريعًا أم حراريًا، أو في مكان ما بينهما.
كما أنها تعتمد على النواة التي تضربها والمقطع العرضي النيوتروني، وفي الاستطارة غير المرنة، يتفاعل النيوترون مع النواة وتتغير الطاقة الحركية للنظام، حيث يؤدي هذا غالبًا إلى تنشيط النواة، مما يجعلها في حالة طاقة متحمسة وغير مستقرة وقصيرة العمر مما يؤدي إلى إصدار نوع من الإشعاع بسرعة لإعادتها إلى الحالة المستقرة أو الأرضية.
قد تنبعث ألفا وبيتا وجاما والبروتونات، وقد تعمل الجسيمات المنبعثة في هذا النوع من التفاعل النووي في ارتداد النواة في الاتجاه المعاكس.
الاصطدامات الجزئية في الاستطارة غير المرنة
الاستطارة غير المرنة شائعة في التصادمات الجزيئية، وأي تصادم يؤدي إلى تفاعل كيميائي سيكون غير مرن، لكن مصطلح الاستطارة التي لا يوجد فيها مرونة مخصصة لتلك الاصطدامات التي لا تؤدي إلى تفاعلات، وهناك انتقال للطاقة بين الوضع الانتقالي (الطاقة الحركية) والأنماط الدورانية والاهتزازية، فإذا كانت الطاقة المنقولة صغيرة مقارنة بالطاقة الساقطة للجسيم المتناثر، فإن المرء يتحدث عن استطارة شبه مرنة.
تطبيقات الاستطارة غير المرنة
- لإنشاء المقاطع العرضية، بتم تحديد عوامل التأثير التي تحدد اقتران بوميرون بالجسيمات الخارجية، ثم يتم بعد ذلك ربط عوامل التأثير هذه بسعة BFKL العالمية، من أجل الحصول على سعة الانتثار المرنة ذات الصلة.
- يتم استخدام نظرية الاضطراب وبالتالي لا يمكنا أخذ النتيجة على محمل الجد، إلا إذا تم تأكيد العزم العرضي النموذجي أكبر بكثير من الديناميكا اللونية الكمومية (QCD)، ويتم ضمان ضخامة العزم العرضي النموذجي بشرط اختيار العمليات ذات عوامل التأثير التي تبلغ ذروتها عند العزم العرضي الكبير.
من الواضح أن هذا ليس هو الحال بالنسبة ل استطارة البروتونات والبروتونات ولهذا لم يتفاجأ العلماء عندما وجد أن النتائج كانت غير متوافقة مع الارتفاع المتواضع نسبيًا للمقطع العرضي الإجمالي، وهناك طرق أخرى لإبعاد التكاملات عن منطقة الأشعة تحت الحمراء وهي العمل على أعلى مستوى.
المحاكاة الكمومية للاستطارة غير المرنة
إن الخوارزمية الكمومية تعتمد على الوقت للاستطارة النووية غير المرنة في وظيفة الأساس المعتمدة على الوقت في نهج الكيوبتات، وتهدف هذه الخوارزمية إلى محاكاة كمية مجموعة فرعية من مشاكل الاستطارة النووية غير المرنة ذات الأهمية المادية، حيث يتم إثارة درجات الحرية الداخلية لنظام التفاعل من خلال التفاعلات الخارجية المعتمدة على الوقت.
تتيح الخوارزمية تسريعًا أسيًا في محاكاة ديناميكيات المجموعة الفرعية من مشاكل الاستطارة غير المرنة، والتي ستكون مفيدة أيضًا للتطبيقات في مشاكل الاستطارة الأكثر تعقيدًا، وبالنسبة لمشكلة العرض التوضيحي، قام العلماء بحل إثارة كولوم للديوترون، حيث يتم إجراء عمليات المحاكاة الكمومية باستخدام IBM Qiskit.
عمليات الاستطارة والانتقالات بين الحالات الكمومية هي ظواهر شديدة الاعتماد، حيث يتم التعامل معها عادةً على أنها أحداث غير مرتبطة، وحدث ذلك لأن الاقتران بين النماذج الكمومية والكهرومغناطيسية ينتج مجموعات من المعادلات التفاضلية الجزئية غير الخطية عالية الترتيب، وتصف هذه المعادلات تطور السحابة الإلكترونية للذرات التي يؤدي تفاعلها مع الإشعاع إلى تبعثر وانتقالات إلكترونية.
تعتمد أكثر الطرق الكمومية التقليدية المستخدمة في المحاكاة الجزيئية على المخططات التكرارية مثل تركيبات (LCAO-MO وDFT)، وتولد هذه المخططات نتائج دقيقة للغاية في الكيمياء وتقدم تقديرات ممتازة لأوامر السندات وكثافة الإلكترون وأطوال الروابط لفئة واسعة من الجزيئات، ومع ذلك، فإن هذه الصيغ المتغيرة عادةً ما تولد رموزًا حسابية تصبح معالجتها الزمنية عالية للغاية للعديد من التطبيقات المهمة في الهندسة الكيميائية والنووية.
يشير مصطلح “الاستطارة المرنة” إلى أن الحالات الداخلية لجسيمات الاستطارة لا تتغير، ومن ثم فإنها تظهر دون تغيير من عملية الاستطارة، ويشير مصطلح ” استطارة عميقة غير مرنة ” إلى نوع خاص من تجارب الاستطارة في فيزياء الجسيمات.
