Sección transversal de dispersión de Thomson: electrones libres frente a átomos

Por definición , la dispersión de Thomson es la dispersión elástica de la luz por una partícula con carga libre. Los átomos no pueden describirse como tales, pero los electrones de un átomo pueden aproximarse a los electrones libres si su energía de enlace es mucho menor que la energía del fotón. Esto podría ser cierto para las longitudes de onda de los rayos X, aunque si la energía del fotón es demasiado alta, no se producirá la dispersión elástica y, en su lugar, deberá considerar la dispersión Compton.

La sección transversal de dispersión de Thomson de un átomo con ser$f$veces más grande que la sección transversal de dispersión de un electrón libre, donde$f$es el número efectivo de electrones libres en el átomo. La contribución del núcleo es insignificante ya que la sección transversal depende inversamente del cuadrado de la masa de la partícula.

Para la dispersión hacia adelante, entonces$f \simeq Z$, la cantidad de electrones en el átomo: cada electrón contribuye (de hecho, si está hablando de iones, es solo la cantidad de electrones presentes). Sin embargo, para otros ángulos de dispersión hay alguna interferencia destructiva,$f < Z$y la sección transversal de dispersión cae al aumentar el ángulo de dispersión. Esto se cuantifica mediante un factor de forma atómico , que es la relación entre la sección transversal de dispersión del átomo y la de un electrón libre en función del ángulo de dispersión (es decir,$f= f(\theta)$). Esto se muestra a continuación (por ejemplo, para el oxígeno (azul$Z=8$); cloro (verde,$Z=17$)) y picos en un valor igual al número de electrones presentes.

Editar: En conclusión Para un número fijo de electrones en un gas, entonces la sección transversal de dispersión de rayos X de Thomson se maximiza si el gas está completamente ionizado. Si el gas es atómico, la sección transversal será similar para la dispersión directa hacia adelante, pero más pequeña en todas las demás direcciones, en una cantidad determinada por el factor de forma.