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和网友的讨论（6）

2011-10-23 6:55:37 | 转载 | 固定链接 | 评论(0) | 浏览(98)

和网友的讨论（6） 在前面（和网友的讨论（5））的答复中，我还没有回答一个重要问题，即：‘多重compton散射过程的截面和普通compton散射过程截面的分支比’问题。要回答这个问题，我认为首先把‘多重compton散射过程’改称为‘软光子发射过程’可能更好一些。以免人们常常把它误解成多次compton散射过程。其次根据以前和其他人讨论有关问题的经验，我认为首先要讨论一下普通compton散射过程截面的计算过程中的一些重要概念。 根据量子电动力学中光子和自由电子相互作用的概念，它和经典力学中刚体粒子的相互碰撞概念完全不同。在量子电动力学中计算普通compton散射过程截面时，光子和自由电子相互作用是从入射光子和自由电子之间还为无穷远时就已经开始，一直延续到出射光子离自由电子为无穷远时才结束。从相互作用开始到相互作用结束期间，光子和自由电子处于一种被称为‘中间状态’的量子态。它完全不同于经典力学中刚体粒子的相互碰撞只发生在两个粒子相互接触发生刚性碰撞的一瞬间。在量子电动力学中，能量动量守恒定律只适用于入射光子和自由电子发生compton散射过程之前，以及光子和自由电子结束compton散射过程之后。对处于‘中间状态’量子态中的光子和自由电子，能量动量守恒定律无法应用，它们是处于‘测不准关系’所控制的状态中。 由于理论上‘中间状态’是从入射光子和自由电子之间还为无穷远时就已经开始，一直延续到出射光子离自由电子为无穷远时才结束，因此‘中间状态’的延续时间也是无穷长。之所以出现这种情况，是因为在计算compton散射截面时，只考虑了光子和一个自由电子的相互作用，而且空间中不存在其它自由电子。当空间中存在其它可以和光子相互作用的自由电子时，显然就不能认为‘中间状态’是从入射光子和自由电子之间还为无穷远时就已经开始，一直延续到出射光子离自由电子为无穷远时才结束。当光子和空间中某一个自由电子相互作用而处于‘中间状态’时，它不可能又和另外一个自由电子也处于另外一个‘中间状态’之中。假设空间中自由电子的数密度为Ne，则平均每个自由电子占有的体积为Ne的负一次方。当光子在这样的空间中传播时，平均每经过Ne的负1/3次方的距离dr时，要遇到一个自由电子。因此平均来说，光子在这样的空间中传播时，‘中间状态’的延续时间为自由电子之间的平均距离dr除以光速C。如果我们在这样空间中取一个厚度为dr的薄片，把这个薄片压缩成一个平面，则每个自由电子在这个平面中占有的面积为dr的平方。如下面示意图那样，每个小方格边长为dr。每个小方格中有一个小○表示有一个自由电子，○表示自由电子的compton散射截面。从这个示意图我们可以看到，如果当一束光子垂直通过这个等离子体薄片向前传播时，没有被自由电子compton散射的光子数和被自由电子compton散射的光子数之比为边长为dr的小方格面积和compton散射截面之比。compton散射截面的数值只有约10的负25次方平方厘米，而宇宙空间中Ne的平均数值非常小，大约为每立方厘米只有10的负5次方。因此在宇宙空间中，没有被自由电子compton散射的光子数要比被自由电子compton散射的光子数大约20几个量级。因此我们在考虑没有被自由电子compton散射的光子在传播过程中的‘软光子发射’过程时，根本没有必要考虑被compton散射的光子在散射过程中的‘软光子发射’过程。   标签：compton散射 软光子发射... 散射截面

扩展阅读 光量子在稀薄等离子体中传播 和网友的讨论（7）

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