13 апреля в Nature Physics опубликована работа международной исследовательской группы, в которой, в рамках международного сотрудничества ОИЯИ, участвовали сотрудники ЛИТ — О. Чулуунбаатар и ЛТФ — Ю. В. Попов по проведению кинематически полного экспериментального измерения характеристик комптоновского рассеяния на свободных атомах с помощью высокоэффективного метода ионной импульсной спектроскопии с холодной мишенью (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy, COLTRIMS), и дала ему адекватное теоретическое описание.

Экспериментаторы из университета Гёте (Франкфурт на Майне, Германия) направили мощный фотонный пучок синхротрона Petra III (DESY, Гамбург) через сверхзвуковую струю гелия.

Метод COLTRIMS позволил измерить не только импульс рассеянного электрона, но и импульс отдачи иона гелия для отдельных актов рассеяния, что с учетом закона сохранения энергии-импульса дало возможность полностью восстановить кинематические характеристики процесса рассеяния. Кроме того, использование этого метода решило проблему очень малого сечения комптоновской ионизации в диапазоне энергий фотона порядка нескольких кэВ, которое примерно на шесть порядков меньше, чем типичное сечение фотопоглощения. Все это открывает возможности для использования комптоновского рассеяния как еще одного инструмента атомной спектроскопии наравне с такими мощными методами изучения атомов и молекул, как (е, 2е), (ион, ион е) и другие. Теоретическое описание данного явления базируется на расчетах, проведенных на СК «Говорун».

По информации дирекции ЛИТ

Также предлагаем вашему вниманию статью О. Чулуунбаатара, Ю. В. Попова и И. П. Волобуева «Новые возможности эффекта Комптона», опубликованную в третьем выпуске Бюллетеня ОИЯИ за 2020 год.

Недавно международная исследовательская группа, в которую в рамках сотрудничества ОИЯИ, МГУ им.М.В.Ломоносова и Университета Гете (Франкфурт-на-Майне, Германия) входили авторы настоящей заметки, провела на синхротроне Petra III (DESY, Гамбург) с помощью детектора COLTRIMS (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy) кинематически полное экспериментальное измерение характеристик комптоновского рассеяния на свободных атомах гелия и дала адекватное теоретическое описание полученных результатов. В эксперименте наблюдалось комптоновское рассеяние фотонов с энергией 2,1 кэВ на атомах гелия вблизи порога ионизации [1], т. е. такие реакции, в которых переданная энергия оказывается близкой к потенциалу однократной ионизации атома гелия I_p = 24,6 эВ. В результате было обнаружено заметное отличие наблюдаемого углового распределения излучения, рассеянного связанными электронами, от углового распределения излучения, рассеянного свободными электронами, которое дается формулой Томсона.

Почти 100 лет назад, в 1922–1923 гг., американский физик Артур Комптон исследовал с помощью рентгеновского спектрографа явление изменения длины волны света при его рассеянии на графите с испусканием электрона. Он обнаружил, что величина смещения рассеянного спектра в область больших длин волн возрастает при увеличении угла рассеяния.

Теоретическое описание комптоновского рассеяния на свободных электронах было дано тогда же, в 1920-х гг., самим Комптоном [2] на основе представления о фотоне как о релятивистской частице. Это описание также было независимо найдено П. Дебаем [3]. Как известно, в то время среди физиков шла знаменитая дискуссия о природе света, и открытие эффекта Комптона стало одним из самых убедительных аргументов в пользу корпускулярной теории. За это открытие Комптону была присуждена Нобелевская премия по физике за 1927 г.

Вскоре после создания квантовой механики и описания в ее рамках строения атомов Ж.Дюмон [4] на основании результатов своих экспериментов сделал предположение, что с помощью комптоновского рассеяния можно судить о строении атомов рассеивателя. Он связал наблюдаемое при фиксированном угле рассеяния уширение энергетического спектра с импульсным распределением связанных электронов в веществе рассеивателя, предположив, что смещенная линия уширяется в результате рассеяния излучения на хаотично движущихся электронах рассеивателя аналогично тому, как происходит доплеровское уширение оптических линий излучения движущихся атомов. Рассмотрев несколько пробных распределений импульсов для различных электронных состояний, Дюмон обнаружил, что структура наблюдаемого спектра излучения, рассеянного на атомах бериллия, хорошо воспроизводится теоретически, если использовать квантово-механическое описание связанных электронов в атомах.

Cо времени опытов Комптона эксперименты в этой области были основаны на методе совпадений для одновременного детектирования испущенного в результате ионизации электрона и рассеянного фотона, который был предложен немецким физиком В. Боте [5] как раз для изучения эффекта Комптона в 1924 г. В 1954 г. Боте получил Нобелевскую премию «…за изобретение метода совпадений и открытия, сделанные впоследствии с его помощью».

Однако применение электрон-фотонного метода совпадений для прецизионных измерений невозможно в силу ряда технических ограничений. Ситуация изменилась после изобретения нового метода регистрации рассеянных частиц, получившего название спектроскопия импульса отдачи ионов холодной мишени (COLTRIMS) [6], и появилась реальная возможность использовать комптоновское рассеяние для определения угловых и энергетических спектров как рассеянных фотонов, так и испущенных в результате ионизации электронов. Метод COLTRIMS позволяет одновременно измерять импульсы электрона и иона отдачи, что дает возможность проводить измерения методом совпадений с высокой точностью. В частности, с использованием этой техники стало возможным собирать ионы и электроны практически с полного телесного угла Ω_full = 4π. При этом импульс рассеянного фотона может быть найден из закона сохранения импульса, вследствие чего отпадает необходимость детектирования самого фотона.

В квантовой электродинамике стандартная теория комптоновской ионизации основана на двух диаграммах Фейнмана (рис.1), однако в случае фотонов с энергией в несколько килоэлектронвольт имеет смысл рассматривать описание этого процесса с помощью нерелятивистского уравнения Шредингера [7]. В результате отвечающий этим диаграммам матричный элемент распадается на сумму двух слагаемых. Оба эти слагаемые второго порядка по заряду электрона, но первое слагаемое, традиционно обозначаемое A², напоминает по форме первое борновское приближение в случае ионизации атома заряженной частицей (протоном, электроном), а второе (интегральное) слагаемое совпадает по форме со вторым борновским приближением. При выбранной энергии фотона основной вклад дает член A², а второе слагаемое получается чрезвычайно малым и играет роль поправки.

Рис.1. Диаграммы Фейнмана для комптоновского рассеяния

Эта теоретическая модель оказалась достаточно простой, что позволило рассмотреть целый ряд пробных функций начальных и конечных состояний и сравнить результаты с экспериментом, а также оценить возможность этого нового метода проводить прецизионную спектроскопию (угловую и энергетическую) внешних оболочек атома (молекулы). Расчеты проводились на суперкомпьютере «Говорун» ОИЯИ, и полученные результаты в значительной степени совпали с экспериментом (рис. 2). В то же время в экспериментах сделано различие наборов пробных функций, что показало возможность использования комптоновской ионизации наряду с известными спектроскопическими методами, такими как (е, 2е), (р, ре) и др.

Рис.2. Схема ионизации при комптоновском рассеянии при ω = 2,1 кэВ. a) Волнистые линии обозначают входящий и рассеянный фотоны, стрелка — вектор импульса испущенного электрона. Штриховая линия — дифференциальное сечение Томсона, т. е. угловое распределение рассеяния фотонов на свободном электроне. Черные точки — экспериментальное угловое распределение фотонов при ионизации атома гелия комптоновским рассеянием, проинтегрированное по всем углам и энергиям испускаемых электронов ниже 25 эВ. Статистическая ошибка меньше размера точки. Черная штрихпунктирная линия — аппроксимация A² для всех энергий электронов. Сплошная красная линия — аппроксимация A² для энергий электронов ниже 25 эВ. Черные линии увеличены в 1,9 раза. b) Распределение импульсов электронов, испущенных при комптоновском рассеянии фотонов с энергией 2,1 кэВ на атоме гелия. Система координат такая же, как в a, т. е. плоскость определяется входящим (горизонтальным) и рассеянным фотоном (верхняя полуплоскость). Вектор передачи импульса направлен в переднюю нижнюю полуплоскость. Данные проинтегрированы по компонентам импульса электрона вне плоскости рассеяния. c) Распределение импульса иона гелия для тех же условий, что и в b

Таким образом, экспериментальные и теоретические результаты, опубликованные недавно в журнале «Nature Physics» [1], показали новые возможности комптоновской ионизации атома при передаче энергии, близкой к порогу однократной ионизации, как эффективного метода спектроскопии внешних оболочек атомов и молекул. И это получилось благодаря прецизионным измерениям очень маленьких дифференциальных сечений с привлечением современных технических средств и теоретических расчетов этих сечений на суперкомпьютере «Говорун» ОИЯИ. В результате попытки первопроходцев использовать эффект Комптона, открытый почти 100 лет назад, для целей спектроскопии квантовых объектов с использованием несовершенной тогда техники получили сегодня новый импульс.

Список литературы

1. Kircher M. et al. Kinematically Complete Experimental Study of Compton Scattering at Helium Atoms near the Threshold // Nature Phys. 2020. V. 16. P.756–760.
2. Compton A.H. // Phys. Rev. 1923. V.21. P.483.
3. Debye P. // Z. Physik. 1923. V. 24. P. 161.
4. DuMond J.W.M. // Phys. Rev. 1929. V.33. P.643.
5. Bothe W. Nobel Lecture. 1954.
6. Ullrich J. et al. // Rep. Prog. Phys. 2003. V.66. P.1463.
7. Bergstrom P.M., Jr., Surić T., Pisk K., Pratt R.H. // Phys. Rev. A. 1993. V.48. P.1134.