物理学中的各种散射过程

简介

散射理论是一套研究粒子和波的散射过程的理论框架。

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术语约定

入射粒子称为“弹”，靶粒子称为“靶”。

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分类

单散射和多重散射

根据靶数量可以将散射过程分为单散射和多重散射，本文中如无特别说明都默认讨论单散射。

弹性散射与非弹性散射

根据散射过程能量是否有其他形式的转化可以将散射过程分为弹性散射与非弹性散射。

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各领域中的散射过程

光学（经典电磁学）

瑞利（Rayleigh）散射

现象：入射光被比其小很多的颗粒（单个原子或分子）散射。在透明的固体和液体都会发生，而在气体中最为显著
本质：光子与物质分子或原子的弹性散射。
发现：1871年Rayleigh勋爵John William Strutt发表了两篇关于天光颜色和偏振的文章量化解释Tyndall效应。
应用：用来解释天空是蓝色的和朝霞与晚霞是红橙色的。

拉曼（Raman）散射

现象：一定频率的(激)光照射到样品表面时，物质中的分子吸收部分能量，被激发到更高的振动模式，然后散射出与入射光频率不同（通常频率变低）的光。
本质：光子与物质分子或原子的非弹性散射。
发现：1923年A. Smekal预言，1928年由C. V. Raman & K. S. Krishnan在液体中，G. Landsberg & L. Mandelstam在固体中独立发现。
分类： 1）拉曼散射可细分为斯托克斯（Stokes）散射（入射光频率高于出射光），和非斯托克斯（anti-Stokes）散射（入射光频率低于出射光）。2）还可分为自发（spontaneous）拉曼散射和受激（stimulated）拉曼散射。
应用：1）拉曼(光)放大器。2）拉曼激光。

汤姆孙（Thomson）散射

现象：经典电磁理论中，低频电磁辐射与带电粒子发生弹性散射。光子能量远小于带电粒子的质量或者光的波长远大于粒子的康普顿波长。
本质：光子与带电粒子的弹性散射，康普顿散射的低能极限，二者均可由克莱因-仁科（Klein-Nishina）公式推出。
发现：首先由J. J. Thomson解释。
分类：无。
应用：1）宇宙微波背景辐射的线性偏振。2）K冕（来自光球层的可见光在日冕中被等离子体吸收，由强的多普勒致宽的扩散，被反射的光球层吸收线完全被遮蔽掉，而产生的没有吸收谱线的连续谱）。3）托卡马克中对电子温度的测量。4）逆康普顿散射可以看作是相对论性粒子在自身参考系下的汤姆孙散射。5）X射线晶体学。

核物理

卢瑟福（Rutherford）散射

粒子物理（量子场论）

康普顿（Compton）散射

现象：高能光子（X-射线或射线）与带电粒子（通常是电子）相互作用因失去能量而导致波长变长的现象。
本质：光子与带电粒子的非弹性散射。
发现：1923年由A. H. Compton发现。
分类： 一般情况下，康普顿散射指高能光子经过散射后能量降低的过程；如果散射光子能量高于入射光子，则成为逆康普顿散射。此外，还有磁康普顿散射。
应用：1）[Compton] 放射治疗。2）探测动量表象下物质中电子的波函数。3）光谱学中的Compton 4）[逆Compton] Sunyaev-Zel'dovich效应。5）

穆勒（Møller）散射

现象：高能光子（X-射线或射线）与带电粒子（通常是电子）相互作用因失去能量而导致波长变长的现象。
本质：光子与带电粒子的非弹性散射。
发现：1923年由A. H. Compton发现。
分类：

巴巴（Bhabha）散射

凝聚态物理

布拉格（Bragg）散射