يعتبر التشتت من أقوى الطرق المستخدمة لدراسة بنية المادة، وقد تم تحقيق العديد من الاختراقات المهمة في الفيزياء عن طريق التشتت؛ لقد مر ما يقرب من قرن منذ إجراء التحقيقات الأولى في هذا المجال، وأسفر العمل الذي تم القيام به منذ ذلك الحين عن أدبيات ثرية تشمل كلا من النتائج التجريبية والنظرية.
نظرية التشتت في فيزياء الكم
في التشتت، عادة ما يدرس المرء التصادمات بين الجسيمات النووية أو شبه النووية أو الذرية أو الجزيئية، وبما أن هذه أنظمة كمومية في جوهرها، فمن المنطقي أن يتم استخدام ميكانيكا الكم كأساس لنظرية التشتت الحديثة؛ في مبادئ نظرية التشتت الكمي، يجمع العلماء بحكمة بين الحدس الفيزيائي والصرامة الرياضية لتقديم مختلف المبادئ المختارة لنظرية التشتت الكمي.
وكما هو الحال دائمًا في الفيزياء، حيث يقدم العلماء عددًا من الرسوم التوضيحية النموذجية، ويقارن المقاطع العرضية النظرية والتجريبية في مجموعة مختارة من تصادمات ذرة الأيونات غير المرنة في طاقات غير نسبية عالية، وتعتبر نظرية التشتت الكمي، هي واحدة من أجمل النظريات في الفيزياء، غنية جدًا بالرياضيات.
يقوم العلماء بتطوير نظرية كمومية لتشتت رايلي الذري، ويعتبر الانتثار بمثابة استرخاء للفوتونات الساقطة من وضع محدد للمساحة الحرة إلى خزان أنماط الفضاء الحر الأخرى، ويتم التعامل مع الإثارات الإضافية لحالات الخزان التي تظهر على أنها ضوء مبعثر.
إن حالة التشابك للذرة المثارة والفوتون الساقط تتشكل أثناء الانتثار، وبسبب التشابك لا تمتص الذرة الفوتون بالكامل، فإذا كان تردد الوضع المحدد غير قابل للقياس مع أي تردد انتقال ذري، فإن طيف الضوء المتناثر له حد أقصى عند تردد الوضع المحدد، وإن عرض الضوء المنتشر أصغر بكثير من عرض الانبعاث التلقائي لذرة واحدة، لذلك يمكن اعتبار العملية مرنة.
أهمية التشتت الكمي
في القوى بعيدة المدى التي تعمل بين الذرات والجزيئات المحايدة باسم قوى التشتت منذ عمل العالم لندن، الذي كان أول من أوضح العلاقة بين هذه القوى وتشتت الضوء بواسطة الذرات، وهو ما خمّنه نيوتن بالفعل، حيث يُعرف تحليل وتطبيق الخصائص التحليلية لاتساع التشتت، الذي تم تطويره منذ عدة عقود في سياق نظرية المجال الكمي، باسم نظرية التشتت.
تؤدي دراسة سعة تبادل الفوتونين إلى اشتقاق وتعميم مستقل عن النموذج للصيغ التي تصف قوى التشتت المتخلفة في حالة ذرتين متعادلتين، التي حصل عليها لأول مرة العالم كازيمير وبولدر، ثم بين الامتدادات اللاحقة لتفاعل نظام مشحون ومحايد ووضح الحالة التي يتم فيها شحن كلا النظامين، وتم وصف العلاقة بين نهج نظرية التشتت والطرق الأكثر تقليدية.
تستخدم تقنيات نظرية التشتت لدراسة القوى الناشئة عن التبادل ثنائي النيوترينو والتبادل ثنائي الميزون، وتم رسم موجز لتأثير قوى التشتت على مستويات الطاقة في حالات (Rydberg) للهيليوم.
تطبيقات نظرية التشتت
- في حساب أبسط التفاعلات الكيميائية (الارتباط الانفصالي، التفكك، إعادة التركيب): يتم حساب العديد من المعلمات، مثل المقطع العرضي ومعدل التفاعل من أجل العمليات مختلفة في فيزياء الليزر والفيزياء الذرية والكيميائية باستخدام نظرية التشتت الكمي لنظام يتكون من عدد قليل من الجسيمات.
- تمت مناقشة نتائج دراسة التصادمات الإلكترونية والذرية مع الجزيئات ثنائية الذرة وتصادمات الجزيئات ثنائية الذرة في حالات الاهتزازات المثيرة، حيث يتم تحليل العديد من التقديرات التقريبية اللازمة لحساب الأنظمة الفيزيائية الحقيقية التي تتكون من عدة أجسام.
- ويمكن استخدام مثل هذه التقريبات لمحاكاة التفاعلات والتفاعلات المباشرة التي تنتج مجمعات وسيطة عابرة، وتتم مقارنة المقاطع العرضية المحسوبة من التصادمات الإلكترونية والذرية مع الجزيئات ثنائية الذرة وتصادمات الجزيئات ثنائية الذرة مع البيانات التجريبية ونتائج الحسابات البديلة، ويستخدم أيضا في الأجهزة الالكترونية وفي أشعة الليزر.
أنواع التشتت
تشتت مي
نظرًا لأن سطح الجسيم ينتج مجالًا كهرومغناطيسي بسبب وجود الإلكترونات، وبما أن الضوء يمثل إشعاع كهرومغناطيسي فيمكنه التفاعل لإنتاج ظاهرة توصف بأنها تشتت أو حيود؛ لقد تم تسمية تشتت مي، وكذلك نظرية مي على اسم الفيزيائي الألماني جوستاف مي، الذي حسب هذه الظاهرة لأول مرة في بداية القرن العشرين.
تشتت مي على مسافة ما من الجسيم في اتجاه الضوء الساقط، هو نمط يتطور اعتمادًا على حجم الجسيم والطول الموجي للضوء الساقط، فمن هذا النمط يمكن الحصول على المعلومات المتعلقة بتوزيع حجم المادة، وبعض المواد لا تنقل الضوء وتمتص الطاقة، في هذه الحالات يمكن افتراض أن المادة تحتوي على معامل انكسار مرتفع للغاية بالإضافة إلى مكون وهمي كبير.
في ظل هذه الظروف، يمكن أن تكون الحسابات هي تلك التي وصفتها نظرية فراونهوفر، حيث يمكن أيضًا أن ينعكس الضوء من سطح مادة ما واستخدام هذه البيانات لقياسات الحجم، والتكرار الثالث للتفاعل هو حالة خاصة تحدث عندما تكون المادة شفافة إلى حد ما، في هذه الحالة يمر الضوء عبر الجسيم بقدر ما يمر عبر الماس، مما يعني أنه ينكسر وينتج لمعانًا معروفًا، ومع ذلك عند المرور عبر جسيم قد يضيف إلى نمط تشتت حيود مي.
التشتت الجزيئي
يتم تقديم طريقة طيفية للكشف الجزيئي تعتمد على قياسات التشتت باستخدام مصدر ليزر ذو نقيق تردد، ويتم استخدام ليزر الشلال الكمي بالأشعة تحت الحمراء الذي ينبعث منه حوالي 1912 سم كمصدر طيفي قابل للضبط لقياس التشتت الذي يحدث بالقرب من التحولات الاهتزازية الجزيئية.
تم تطوير النماذج النظرية، التي تصف الإشارات الطيفية المرصودة، والتحقق منها تجريبياً. هذه الطريقة ذات صلة خاصة بالاستشعار البصري القائم على أشعة الليزر المتتالية الكمومية في منتصف الأشعة تحت الحمراء، حيث أن معدلات الغرد العالية المتوفرة مع هذه المصادر يمكن أن تعزز بشكل كبير حجم إشارات التشتت المقاسة.
وتعتمد الطريقة على قياسات تردد الضرب غير المتجانسة وتظهر مناعة عالية للتغيرات في الطاقة الضوئية التي يتلقاها جهاز الكشف الضوئي.
التشتت المتعدد لأشباه الجسيمات في الجرافين
قام العلماء بتطوير وصف نظري للتشتت داخل الصالة لأشباه الجسيمات في الجرافين من مبعثرات متعددة قصيرة المدى بحجم أكبر بكثير من طول رابطة الكربون والكربون نفسه.
ولقد وضح العلماء أن مسارات التشتت المتعددة غير الخطية تولد دورات (pseudospin) التي تغير التداخل شبه الجسيمي، مما يؤدي إلى تعديلات كبيرة في شكل وشدة ونمط أطراف التداخل في الكثافة المحلية للحالات.
تشتت رامان
يصادف الضوء جزيئات في الهواء، حيث أن النمط السائد للتشتت هو التشتت المرن، والذي يسمى تشتت رايلي، هذا التبدد هو المسؤول عن اللون الأزرق للسماء، ويزداد مع القوة الرابعة للتردد ويكون أكثر فاعلية في الأطوال الموجية القصيرة، ومن الممكن أيضًا أن تتفاعل الفوتونات الساقطة مع الجزيئات بطريقة تُكتسب فيها الطاقة أو تُفقد، بحيث يتم إزاحة الفوتونات المبعثرة في التردد، يسمى هذا التشتت تشتت رامان.
وهناك أيضا أنواع أخرى من التشتت منها، تشتت رامان، تشتت رايلي، تشتت خلفي والتشتت من الأسطح الخشنة، تقريبا كل ما يعرف عن الفيزياء النووية والذرية لديه تم اكتشافه من خلال تجارب التشتت، على سبيل المثال اكتشاف رذرفورد للنواة واكتشاف الجسيمات دون الذرية مثل الكواركات، وفي فيزياء الطاقة المنخفضة، توفر ظاهرة التشتت المعيار أداة لاستكشاف أنظمة الحالة الصلبة، على سبيل المثال تشتت النيوترون والإلكترون والأشعة السينية.
