Международный коллектив ученых, в состав которых входят и сотрудники НИИЯФ МГУ, провели работу по измерению характеристик комптоновского рассеяния на свободных атомах. Данная работа опубликована в журнале Nature.
Процессы рассеяния света электронами интенсивно изучаются как экспериментально, так и теоретически уже почти сто лет. Среди них особое место занимает комптоновское рассеяние, потому что этот процесс может происходить также и на свободных электронах. Теоретическое описание эффекта Комптона основано на представление о корпускулярной природе света. Взаимодействие фотона и свободного электрона описывается как упругое соударение, в результате которого фотон отдает электрону часть своей энергии, которая тем больше, чем больше энергия фотона и угол его рассеяния. Взаимодействие фотона и связанного электрона – это неупругий процесс, переданная энергия должна быть как минимум больше энергии связи. Если при этом вылетевший электрон имеет относительно небольшую энергию, то комптоновское рассеяние на связанных электронах превращается в принципиально квантовый процесс, который определяется волновой функцией электрона в атоме. Поэтому детальное измерение характеристик комптоновского рассеяния может дать точную информацию об этой одночастичной волновой функции. Однако до последнего времени эксперименты по комптоновскому рассеянию проводились за редким исключением в основном на твердых телах, что не позволяло детально изучить характеристики процесса, потому что одновременное измерение с достаточной точностью импульсов рассеянного электрона и фотона было практически невозможно. Только недавно группа ученых, в которую входят теоретики из разных стран и экспериментаторы из Университета Гёте (Франкфурт-на-Майне, Германия), смогла провести кинематически полное измерение характеристик комптоновского рассеяния на свободных атомах с помощью высокоэффективного метода, называемого ионной импульсной спектроскопией с холодной мишенью (COLd Target Recoil Ion Momentum Spectroscopy, COLTRIMS), и дать ему адекватное теоретическое описание. Для этого экспериментаторы 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 маленького 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. С полным текстом работы можно ознакомится по ссылке: https://www.nature.com/articles/s41567-020-0880-2