اقرأ في هذا المقال
- ما هو نثر بريلوين في فيزيا الكم
- آلية عمل نثر بريلوين
- ما هو الفرق بين نثر رامان ونثر بريلوين
- الفرق بين نثر بريلوين وتشتت رايلي
- تطبيقات نثر بريلوين
تم تسمية نثر بريليون على اسم العالم نيكولاس بريليون، حيث تنبأ الفيزيائي الفرنسي لأول مرة بالانتثار غير المرن للضوء (الفوتونات) عن طريق الاهتزازات الصوتية المتولدة حرارياً (الفونونات) في عام 1922.
ما هو نثر بريلوين في فيزيا الكم
في الفيزياء الكلاسيكية يمكن وصف تشتت بريليون بأنه انعكاس للضوء الساقط من محزوز حيود ثلاثي الأبعاد ناتج عن تغيرات الكثافة الدورية (تغيرات مؤشر الانكسار) في مادة بسبب انتشار الموجات الصوتية، ونظرًا لأن الموجة تنتقل بسرعة الصوت، يتغير تردد الضوء المتناثر أيضًا وتتعرض لتحول دوبلر.
من منظور فيزياء الكم يعتبر تشتت بريليون هو تفاعل بين الموجة الكهرومغناطيسية وموجة الكثافة (تشتت الفوتون-فونون)، حيث تنتج الحركات الحرارية للذرات في مادة (على سبيل المثال، صلبة، سائلة) اهتزازات صوتية تؤدي إلى تغيرات في الكثافة وتشتت الضوء الساقط.
التشتت غير مرن يعني أن الطاقة الحركية للضوء الساقط لا يتم حفظها (كما في حالة التشتت المرن)، ولكن الفوتون إما يفقد الطاقة لإنشاء فونون أو يكتسب الطاقة بامتصاص فونون.
آلية عمل نثر بريلوين
من منظور فيزياء الحالة الصلبة، يعتبر تشتت برلوين هو تفاعل بين الموجة الكهرومغناطيسية وواحدة من الموجات الشبكية البلورية الثلاثة (موجة تشوه الموجة الحاملة، الموجة الضوئية، موجة تشوه السلسة الذرية) يكون التشتت غير مرن، أي أن الفوتون قد يفقد الطاقة، والتي تسمى بعملية ستوكس.
وفي هذه العملية ينتج أحد أنواع أشباه الجسيمات الثلاثة (فونون، بولاريتون، ماغنون) أو قد يكتسب طاقة (عملية مضادة لستوكس) بامتصاص أحد أنواع أشباه الجسيمات.
مثل هذا التحول في طاقة الفوتون، يتوافق مع تحول برلوين في التردد، تساوي طاقة الجسيم المنطلق أو الممتص، وبالتالي يمكن استخدام نثر برلوين لقياس الطاقات والأطوال الموجية والترددات لأنواع تذبذب السلسلة الذرية المختلفة (أشباه الجسيمات).
ولقياس إزاحة برلوين يتم استخدام جهاز شائع الاستخدام يسمى مقياس طيف برلوين، وتصميمه مشتق من مقياس التداخل Fabry-Pérot.
ما هو الفرق بين نثر رامان ونثر بريلوين
يصف نثر رامان أيضًا تفاعل التشتت غير المرن للضوء مع اهتزازات المادة، ومع ذلك في حين أن تشتت بريليون ينطوي على تشتت الفوتونات من الفونونات منخفضة التردد، فإن فوتونات (Raman) الطيفي مبعثرة بالتفاعل مع التحولات الاهتزازية والدورانية في الجزيئات وتغير التردد ومعلومات المواد مختلفة تمامًا.
بينما يقيس مطياف بريليون السلوك المرن لعينة باستخدام مقياس التداخل، ويحدد مطياف رامان التركيب الكيميائي والبنية الجزيئية للمادة باستخدام إما مقياس التداخل أو على سبيل المثال مطياف مشتت (مقضب).
الفرق بين نثر بريلوين وتشتت رايلي
يمكن اعتبار نثر رايلي أيضًا بسبب التقلبات في كثافة وتركيب واتجاه الجزيئات داخل وسيط الإرسال، ومن ثم مؤشر الانكسار في أحجام صغيرة من المادة (خاصة في الغازات أو السوائل).
الفرق هو أن نثر رايلي يتضمن فقط التقلبات الحرارية العشوائية وغير المتماسكة، على عكس التقلبات الدورية المرتبطة (الفونونات) التي تسبب تشتت برلوين، علاوة على ذلك فإن تشتت رايلي مرن من حيث عدم فقدان أو اكتساب أي طاقة.
تطبيقات نثر بريلوين
يعد التحليل الطيفي ل بريليون أكثر التقنيات استخدامًا لقياس الخصائص المرنة أحادية البلورة للمواد ذات الأهمية الجيوفيزيائية، وتصف الخصائص المرنة الحجم المؤقت القابل للانعكاس وتغيرات الشكل التي تحدث عندما يتم تطبيق الضغوط على معدن، وبالتالي تسمح بحساب سرعات الموجات الزلزالية (الخصائص الزلزالية للأرض) والتغير في الكثافة الذي يحدث عندما تكون المعادن تحت ظروف قاسية (الضغط أو درجة الحرارة).
كيف يتم تحفيز نثر بريلوين
وصف البروفيسور تاونز العلاقة التي طورت بين تشتت رامان المحفز وتشتت بريلوين في مدرسة إنريكو فيرمي الدولية للفيزياء (1963)، حيث كان من المفترض أن يتحرك ضوء برلوين في الاتجاه المعاكس، حيث تتداخل الحزم المتساقطة والمشتتة أكثر، مما يصنع أكبر كسب؛ وتم إجراء عرض تجريبي لـ SBS لأول مرة في الكوارتز والياقوت، بسبب إزاحة التردد الصغيرة، وتم إجراء القياسات في مخطط تداخل فابري-بيروت مع تباعد بين الترتيب 3.15 سم -1 .
كان لشعاع الليزر وضع فردي واسع وكانت النتائج كما هو متوقع: أظهر الحزمة المنعكسة رجوعًا تحول برلوين في الكوارتز البلوري بمقدار 1 سم -1، وهو ما يقابل 3 × 10 10 هرتز؛ حيث اتفقت جميع قياسات تحولات برلوين لاتجاهات بلورية مختلفة والياقوت بشكل جيد مع التنبؤات.
تمت صياغة نظرية تشتت برلوين للوسائط المرنة ذات الطبقات العازلة بطريقة تعامل أيضًا مع المجال الكهرومغناطيسي ميكانيكيًا؛ ويتم تطبيق التعبير العام للمقطع العرضي الذي تم الحصول عليه من خلال هذا النهج على التحقيق في أوضاع القص الأفقية في طيف بريلوين للشبكات الفائقة العازلة المحدودة وشبه اللانهائية.
