1 2 . I n te r a cti o n o f R a d i a ti o n w i th M a tte r

1 2 . 1 S c at t e r i n g T h e o r y

1 2 . 1 . 1 C r o s s S e c t i o n

1 2 . 1 . 2 T h e r m a l N e u t ro n S c a t t e r i n g

1 2 . 2 Em i s s i o n an d A b s o r p t i o n

1 2 . 2 . 1 E m i s s i o n

1 2 . 2 . 2 A b s o r p t i o n

1 2 . 2 . 3 B l a c k b o d y R a d i a t i o n

1 2 . 3 W i g n e r - W e i s s k o p f T h e o r y

1 2 . 3 . 1 I n t e ra c t i o n o f a n a t o m w i t h a s i n g l e m o d e e . m . fi e l d

1 2 . 3 . 2 I n t e ra c t i o n w i t h m a n y m o d e s o f t h e e . m . fi e l d

1 2 . 4 S c at t e r i n g o f p h o t o n s b y at o m s

1 2 . 4 . 1 T h o m s o n S c a t t e r i n g b y F r e e E l e c t r o n s

1 2 . 4 . 2 R a y l e i g h S c a t t e ri n g o f X - r a y s

1 2 . 4 . 3 V i s i b l e Li g h t S c a t t e r i n g

1 2 . 4 . 4 P h o t o e l e c t r i c E ff e c t

1 2 . 1 S c a t t e r i n g Th e o r y

W e w a n t t o d e s c r ib e t h e in t e r a c t io n o f r a d ia t io n w it h m a t t e r a s a s c a t t e r in g p r o c e s s . S p e c ifi c a lly , w e a r e in t e r e s t e d in c a lc u la t in g t h e r a t e o f s c a t t e r in g ( a n d t h e n t h e c r o s s s e c t io n ) , w h ic h is n o t h in g e ls e t h a n t h e t r a n s it io n r a t e f r o m a n in it ia l s t a t e ( in it ia l s t a t e o f t h e m a t t e r + in c o m in g p a r t ic le ) a n d a fi n a l s t a t e ( fi n a l s t a t e o f t h e t a r g e t + o u t g o in g r a d ia t io n ) 3 9 .

T h is is a p r o b le m t h a t c a n b e s o lv e d b y T D P T . In s t e a d o f c o n s id e r in g a c o n s t a n t p e r t u r b a t io n a s d o n e t o d e r iv e F e r m i’s G o ld e n r u le , w e a n a ly z e t h e c a s e o f a s c a t t e r in g p o t e n t ia l, in it s m o s t g e n e r a l f o r m . W e d e s c r ib e a s c a t t e r in g

P ar ticle

S ca tt er ing M edium

V

t

F i g . 2 0 : M o d e l f o r s c a t t e ri n g : Le f t , p a r t i c l e t r a j e c t o r y , r i g h t t i m e d e p e n d e n c y o f t h e p o t e n t i a l .

e v e n t a s a p a r t ic le c o m in g c lo s e t o a t a r g e t o r a m e d iu m , in t e r a c t in g w it h it a n d t h e n b e in g d e fl e c t e d a w a y . T h u s , a s a f u n c t io n o f t im e , t h e in t e r a c t io n H a m ilt o n ia n V v a r ie s a s in t h e fi g u r e 2 0 .

3 9 A v e r y g o o d r e s o u r c e f o r s c a t t e r i n g t h e o r y i s C h e n , S . H . ; K o t l a rc h y k , M . , I n t e r a c t i o n s o f Ph o t o n s a n d N e u t r o n s w i t h M a t t e r , ( 2 0 0 7 ) , w h i c h w e f o l l o w c l o s e l y i n t h i s c h a p t e r .

W e w a n t t o c a lc u la t e t h e p r o b a b ilit y o f s c a t t e r in g f r o m a n in it ia l s t a t e t o a fi n a l s t a t e :

s c at t

I

I

P = | ( f | U ( t ) | i ) | 2 = | ( f | ( 1 1 i I V ( t ) d t + . . . ) | i ) | 2

N o t ic e t h a t w e c o n s id e r n e g a t iv e t im e s a s w e ll. T h is c o r r e s p o n d s t o t h e s o - c a lle d a d i a b a t i c s w i t c h i n g , s in c e t h e in t e r a c t io n is a s s u m e d t o b e t u r n e d o n s lo w ly f r o m t h e b e g in n in g o f t im e a n d t o g o d o w n t o z e r o a g a in f o r lo n g t im e s .

A . S c a tte r i n g a n d T r a n s i ti o n m a tr i c e s

In s c a t t e r in g p r o b le m s , t h e p r o p a g a t o r U I is u s u a lly c a lle d t h e s c a t t e r in g m a t r ix S . T o s im p lif y t h e c a lc u la t io n , w e c a n a s s u m e a g a in t h a t V is a c t u a lly t im e - in d e p e n d e n t . T h e n f r o m t h e fi r s t o r d e r T D P T w e o b t a in :

( 1 )

( f | S | i ) = i V I e i ω f i t d t = 2 π i δ ( ω

ω ) V

f i

f m 1

N o w c o n s id e r t h e s e c o n d o r d e r c o n t r ib u t io n :

f i f i

( f | S

| i ) = ( f | V | m ) ( m | V | i ) d t 1 e

( 2 ) Σ

m

I i ω

t I t 1

d t 2 e

m i 2

i ω t

N o t ic e t h a t t h e la s t in t e g r a l is n o t w e ll d e fi n e d f o r t . T o s o lv e it , w e r e w r it e it a s

I t 1

i ( ω m i i ǫ ) t 2 e i ω m i t + ǫ t t 1

2

lim d t e = lim i

ǫ 0 + ǫ 0 + ω m i i ǫ

N o w w h e n t a k in g t h e lim it t t h e e x p o n e n t ia l t e r m e ǫ t 0 ( t h u s g e t t in g r id o f t h e o s c illa t io n s ) . T h e n w e a r e le f t w it h o n ly

I t 1

d t 2 e

i ω m i t 2 = lim i

e i ( ω m i i ǫ ) t 1

a n d w e o b t a in ( s e t t in g n o w ǫ = 0 )

ǫ 0 + ω m i i ǫ

( f | S

| i ) = i

V f m V m i d t 1

( 2 ) Σ

m

I e i ( ω f i i ǫ ) t 1

ω

m i

i ǫ

Σ ( f | V | m ) ( m | V | i )

m

ω

i

ω

m

= 2 π i δ ( ω f ω i )

L o o k in g a t t h e fi r s t a n d s e c o n d o r d e r o f t h e s c a t t e r in g m a t r ix , w e s t a r t s e e in g a p a t t e r n e m e r g e . W e c a n t h u s r e w r it e

( f | S | i ) = 2 π i δ ( ω f ω i ) ( f | T | i )

:

w h e r e T is c a lle d t h e t r a n s it i o n m a t r ix . It s e x p a n s io n is g iv e n b y :

ω i ω m

m , n ( ω i ω m ) ( ω i ω n )

( f | T | i ) = ( f | V | i ) + Σ ( f | V | m ) ( m | V | i ) + Σ V f m V m n V n i + . . .

m

B . S c a tte r i n g Pr o b a b i l i t y

| ( | | ) |

W e c a n n o w t u r n t o c a lc u la t e t h e s c a t t e r in g p r o b a b ilit y : P S = f S i 2 . In o r d e r t o o b t a in t h e t o t a l s c a t t e r in g p r o b a b ilit y , w e w ill n e e d t o c o n s id e r a ll p o s s ib le fi n a l s t a t e s . W e f o u nd :

P s = 4 π 2 | ( f | T | i ) | 2 δ 2 ( ω f ω i )

W e c a lc u la t e t h e s q u a r e o f t h e D ir a c f u n c t io n f r o m it s d e fi n it io n b a s e d o n t h e lim it o f t h e in t e g r a l:

2 π

2 π

t π

δ 2 ( ω ) = 1 I d te i ω t δ ( ω ) = 1 I d ( ω ) = lim

t

δ ( ω )

T h e n a lt h o u g h t h e p r o b a b ilit y is n o t s o w e ll d e fi n e d , s in c e it c o n t a in s a lim it :

t

P s = lim 4 π t | ( f | T | i ) | 2 δ ( ω f ω i ) t h e r a t e o f s c a t t e r in g is w e ll d e fi n e d , s in c e it is W S = P S / ( 2 t ) :

W S = 2 π | ( f | T | i ) | 2 δ ( ω f ω i )

T h is is t h e r a t e f o r o n e is o la t e d fi n a l s t a t e . If in s t e a d w e h a v e a c o n t in u u m o f fi n a l s t a t e s , w it h d e n s it y o f s t a t e s ρ ( ω f ) w e n e e d t o s u m o v e r a ll p o s s ib le fi n a l s t a t e s :

W S = 2 π I 2 π | ( f | T | i ) | 2 δ ( ω f ω i ) ρ ( ω f ) d ω f = 2 π | ( f | T | i ) | 2 ρ ( ω i ) N o t ic e t h a t t o fi r s t o r d e r , t h is is e q u iv a le n t t o t h e F e r m i G o ld e n r u le .

1 2 . 1 . 1 C r o s s S e c t i o n

W e n o w u s e t h e t o o ls d e v e lo p e d in T D P T t o c a lc u la t e t h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n . T h is is d e fi n e d a s t h e r a t e o f s c a t t e r in g d iv id e d b y t h e in c o m in g fl u x o f p a r t ic le s :

d d E

d 2 σ

W S ( , E )

Φ i n c

W e c o n s id e r a p a r t ic le + m e d iu m s y s t e m , w h e r e t h e p a r t ic le is s o m e r a d ia t io n r e p r e s e n t e d b y a p la n e w a v e o f m o m e n t u m k k . In g e n e r a l, w e w ill h a v e t o d e fi n e a ls o o t h e r d e g r e e s o f f r e e d o m d e n o t e d b y t h e in d e x λ , e .g f o r p h o t o n s w e w ill h a v e t o d e fi n e t h e p o la r iz a t io n w h ile f o r p a r t ic le s ( e .g .e n e u t r o n s ) t h e s p in .

H H H ±

T h e u n p e r t u r b e d H a m ilt o n ia n is 0 = R + M ( r a d ia t io n a n d m e d iu m ) . W e a s s u m e t h a t f o r t t h e r a d ia t io n a n d m a t t e r s y s t e m s a r e in d e p e n d e n t , w it h ( e ig e n ) s t a t e s :

| i ) = | k i , m i ) , | f ) = | k f , m f )

w it h e n e r g ie s :

H R | k i ) = h ω i | k i ) , H R | k f ) = h ω f | k f ) , H M | m i ) = ǫ i | k i ) , H M | m f ) = ǫ f | m f )

a n d t o t a l e n e r g ie s : E i = h ω i + ǫ i a n d E f = h ω f + ǫ f .

d

P ar ticle

S ca tt er ing M edium

S c a tte r i n g R a te

T h e r a t e o f s c a t t e r in g is g iv e n b y t h e e x p r e s s io n f o u n d e a r lie r :

f i

h

f

W = 2 π | ( f | T | i ) | 2 δ ( E

i

E )

A s u s u a l, w e w a n t t o r e p la c e , if p o s s ib le , t h e d e lt a - f u n c t io n w it h t h e fi n a l d e n s it y o f s t a t e s . H o w e v e r , o n ly t h e r a d ia t io n w ill b e le f t in a c o n t in u u m o f s t a t e s , w h ile t h e t a r g e t w ill b e le f t in o n e ( o f p o s s ib ly m a n y ) d e fi n it e s t a t e . T o d e s c r ib e t h is d is t in c t io n , w e s e p a r a t e t h e fi n a l s t a t e in t o t h e t w o s u b s y s t e m s .

( | | )

W e fi r s t d e fi n e t h e p a r t ia l p r o j e c t io n o n r a d ia t io n s t a t e s o n ly , T k f , k i = k f T k i . B y w r it in g t h e d e lt a f u n c t io n a s a n in t e g r a l w e h a v e :

2 π

f i

h

f

k f , k i

W = ( m | T

| m ) ( m | T

| m ) 1 I e i ( ω f ω i ) t e i ( ǫ f ǫ i ) t / k

i

i

k f , k i

f

2 π h

N o w , s in c e e i H R t / k | m i ) = e i ǫ i t / k | m i ) ( a n d s im ila r ly f o r | m f ) w e c a n r e w r it e

f k f , k i i f k f , k i i f k f , k i i

( m | T | m ) e i ( ǫ f ǫ i ) t / k = ( m | e i H R t / k T e i H R t / k | m ) = ( m | T ( t ) | m )

a n d o b t a in a n e w e x p r e s s io n f o r t h e r a t e a s a c o r r e la t io n o f t r a n s it io n e v e n t s :

f i

h 2

i

k f , k i

W = 1 I e i ( ω f ω i ) t ( m | T

( 0 ) | m

f

f

) ( m | T

k f , k i

i

( t ) | m )

F i n a l d e n s i t y o f s ta te s

( L )

T h e fi n a l d e n s it y o f s t a t e s d e s c r ib e t h e a v a ila b le s t a t e s f o r t h e r a d ia t io n . A s w e a s s u m e d t h a t t h e r a d ia t io n is r e p r e s e n t e d b y p la n e w a v e s ( a n d a s s u m in g f o r c o n v e n ie n c e t h e y a r e c o n t a in e d in a c a v it y o f e d g e L ) , t h e fi n a l d e n s it y o f s t a t e s is

3

ρ ( k f ) d 3 k f = k 2 d k f d

2 π f

W e c a n e x p r e s s t h is in t e r m s o f t h e e n e r g y , ρ ( k ) d 3 k = ρ ( E ) d E d . F o r e x a m p le , f o r p h o t o n s , w h ic h h a v e k = E / h c

w e h a v e

ρ ( E ) = 2 = 2

k

( L ) 3 E 2 ( L ) 3 ω 2

2 π h 3 c 3 2 π h c 3

2 m

w h e r e t h e f a c t o r 2 t a k e s in t o a c c o u n t t h e p o s s ib le p o la r iz a t io n s . F o r n e u t r o n s ( o r o t h e r p a r t ic le s s u c h t h a t E = k 2 k 2 ) :

ρ ( E ) =

2 π h 2 =

( L ) 3 k ( L ) 3 2 m E

2 π h 3

L

If t h e m a t e r ia l t a r g e t c a n b e le f t in m o r e t h a n o n e fi n a l s t a t e , w e s u m o v e r t h e s e fi n a l s t a t e s f . T h e n t h e a v e r a g e r a t e is g iv e n b y W S = f W f i ρ ( E ) d E d ( a s s u m in g t h a t W f i d o e s n o t c h a n g e v e r y m u c h in d a n d d E ) .

In c o m i n g F l u x

w e c a n e x p r e s s t h e t im e a s t = L / v , t h u s t h e fl u x is Φ = v 3

A t

T h e in c o m in g fl u x is g iv e n b y t h e n u m b e r o f s c a t t e r e r p e r u n it a r e a a n d u n it t im e , Φ = # . In t h e c a v it y c o n s id e r e d ,

L 3 . F o r p h o t o n s , t h is is s im p ly Φ = c / L , w h ile f o r m a s s iv e

m L 3

p a r t ic le s ( n e u t r o n s ) v = h k / m , y ie ld in g Φ = k k .

A v e r a g e o v e r i n i ti a l s ta te s

If t h e s c a t t e r e r is a t a fi n it e t e m p e r a t u r e T it w ill b e in a m ix e d s t a t e , t h u s w e n e e d t o s u m o v e r a ll p o s s ib le in it ia l s t a t e s :

ρ i =

e β H M

Z

e ǫ i /k b T

i

P i = L e ǫ i /k b T

Σ Σ

W e c a n fi n a lly w r it e t h e t o t a l s c a t t e r in g r a t e a s :

W S ( i + d , E + d E ) = ρ ( E ) P i W f i

i f

h 2

i

k f , k i

= ρ ( E ) Σ P i I e i ω f i t ( m | T

f , i

( 0 ) | m

f

f

) ( m | T

( t ) | m ) d E d = ρ ( E ) I e i ω f i t T ( 0 ) T

( t )

k f , k i

i

h 2

i f

f i

w h e r e ( ·) in d ic a t e s a n e n s e m b le a v e r a g e a t t h e g iv e n t e m p e r a t u r e .

1 2 . 1 . 2 T h e r m a l N e u t r o n S c a t t e r i n g

( L ) 3 m k f h k i ( m L 3 ) 2 k f

U s in g t h e s c a t t e r in g r a t e a b o v e a n d t h e in c o m in g fl u x a n d d e n s it y o f s t a t e e x p r e s s io n , w e c a n fi n d t h e c r o s s s e c t io n f o r t h e r m a l n e u t r o n s . F r o m

w e o b t a in

ρ ( E ) / Φ =

2 π h 2

/ m L 3

=

( 2 π h ) 3 k i

e f i

d 2 σ = h W = h ρ ( E ) 1 I i ω t

T ( 0 ) T f i ( t ) =

1 ( m L 3 ) 2 k I

e i ω f i t

T ( 0 ) T f i ( t )

f

d d ω Φ Φ h 2 i f 2 π 2 π h 2 k i i f

| ) ( | )

I

N o w t h e e ig e n s t a t e s k i , f a r e p la n e w a v e s , r k = ψ k ( r ) = e i k · r / L 3 / 2 . T h e n , d e fi n in g Q = k i k f t h e t r a n s it io n m a t r ix e le m e n t is

T f i

( t ) = ( k f

| T ( t ) | k i ) = I

f

d 3 r ψ k

( r ) T ( r , t ) ψ k i

( r ) = 1 d 3 r e i Q · r T ( r , t ) L 3

a n d

L 3 L 3

T f i

( 0 ) = 1

L 3

d 3 r e i Q · r T ( r , 0 )

I

L 3

F e r m i P o te n ti a l

~

T o fi r s t o r d e r , w e c a n a p p r o x im a t e T b y V , t h e n u c le a r p o t e n t ia l in t h e c e n t e r o f m a s s f r a m e ( o f t h e n e u t r o n + n u c le u s ) . Y o u m ig h t r e c a ll t h a t t h e n u c le a r p o t e n t ia l is a v e r y s t r o n g ( V 0 3 0 M e V ) a n d n a r r o w ( r 0 2 f m ) p o t e n t ia l. T h e s e c h a r a c t e r is t ic s s e e m t o p r e c lu d e a p e r t u r b a t iv e a p p r o a c h , s in c e t h e a s s u m p t io n o f a w e a k in t e r a c t io n ( c o m p a r e d t o t h e u n p e r t u r b e d s y s t e m e n e r g y ) is n o t s a t is fi e d . S t ill, t h e f a c t t h a t t h e p o t e n t ia l is n a r r o w m e a n s t h a t t h e in t e r a c t io n o n ly h a p p e n s f o r a v e r y s h o r t t im e . T h u s , if w e a v e r a g e o v e r t im e , w e e x p e c t a w e a k in t e r a c t io n . M o r e p r e c is e ly , t h e s c a t t e r in g in t e r a c t io n o n ly d e p e n d s o n t h e s o - c a lle d s c a t t e r i n g l e n g t h a , w h ic h is o n t h e o r d e r a V 0 r 0 . If w e k e e p a

~

c o n s t a n t , d iff e r e n t c o m b in a t io n s o f V , r w ill g iv e t h e s a m e s c a t t e r in g b e h a v io r . W e c a n t h u s r e p la c e t h e s t r o n g n u c le a r p o t e n t ia l w it h a w e a k e r , p s e u d o - p o t e n t ia l V ˜ 0 , p r o v id e d t h is h a s a m u c h lo n g e r r a n g e r ˜ 0 , s u c h t h a t a V 0 r 0 = V ˜ 0 r ˜ 0 . W e c a n c h o o s e V ˜ 0 , r ˜ 0 s o t h a t t h e p o t e n t ia l is w e a k ( e V ) b u t t h e r a n g e is s t ill s h o r t c o m p a r e d t o t h e w a v e le n g t h o f t h e in c o m in g n e u t r o n , k r ˜ 0 1 . T h e n , it is p o s s ib le t o r e p la c e t h e p o t e n t ia l w it h a s im p le d e lt a - f u n c t io n a t t h e o r ig in .

2 π h 2

V ( r ) = a δ ( r ) µ

m n A

W e c a n a ls o d e fi n e t h e b o u n d s c a t t e r in g le n g t h , b = µ a A + 1 , w e r e m n is t h e n e u t r o n ’s m a s s a n d A t h e n u c le u s

m a s s n u m b e r . T h e n t h e p o t e n t ia l is

2 π h 2

V ( r ) = a δ ( r ) m n

N o t e t h a t b ( in t e r a c t io n le n g t h o r b o u n d s c a t t e r in g le n g t h ) is a f u n c t io n o f t h e p o t e n t ia l s t r e n g t h a n d r a n g e , w h ic h d e p e n d o n t h e is o t o p e f r o m w h ic h t h e n e u t r o n is s c a t t e r e d o ff .

T h e n t o fi r s t o r d e r t h e t r a n s it io n m a t r ix is T f i

p o s it io n r x ( t ) , w e h a v e :

= 2 π k 2 b , o r m o r e g e n e r a lly , if t h e r e a r e m a n y s c a t t e r e r s , e a c h a t a

m

n

T h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n b e c o m e s

2 π h 2

Σ

m

T f i ( t ) = b x e

n x

i Q · r x ( t )

d 2 σ

1 k f I

= e

f i

i ω t Σ

b x b y e

x

e

y

i Q · r ( 0 ) i Q · r ( t )

d d ω 2 π k i x , y

N o t ic e t h a t s in c e t h e c o llis io n s a r e s p in - d e p e n d e n t , w e s h o u ld a v e r a g e o v e r is o t o p e s a n d s p in s t a t e s a n d r e p la c e b x b y

w it h b x b y .

S c a tte r i n g L e n g th s

N o t ic e t h a t b d o e s n o t d e p e n d e x p lic it ly o n p o s it io n , a lt h o u g h t h e p o s it io n d e t e r m in e s w h ic h is o t o p e / s p in w e s h o u ld

b ) δ x , y + b = b i + b c w h ic h d e fi n e s t h e c o h e r e n t s c a t t e r in g le n g t h b c = b a n d t h e in c o h e r e n t

c o n s id e r . W h a t is b x b y ? W e h a v e t w o c o n t r ib u t io n s . F o r x = y t h is is b 2 δ

x , y

, w h ile f o r x / / = /

2

2 2

y , it is b ( 1

δ x , y

) . W e

x y

t h e n w r it e b b = ( b 2 2 2

i

b . If t h e r e a r e N s c a t t e r e r s , w e h a v e

x y

i

c

2

s c a t t e r in g le n g t h b 2 = b 2

L b b

= N ( b 2 + b 2 ) .

S tr u c tu r e F a c to r s

U s in g t h e s e d e fi n it io n , w e a r r iv e a t a s im p lifi e d e x p r e s s io n :

2

d σ = N k f b 2 S ( Q , ω ) + b 2 S ( Q , ω )

d d ω k i i S c

w h e r e w e u s e d t h e s e lf - d y n a m ic s t r u c t u r e f a c t o r

w h ic h s im p lifi e s t o

S ( Q , ω ) = 1 e i ω f i t 1 e i Q · r x ( 0 ) e i Q · r x ( t )

I Σ

S

2 π N x

2 π

S

S ( Q , ω ) = 1 I e i ω f i t D e i Q · r ( 0 ) e i Q · r ( t ) E

if a ll n u c le i a r e e q u iv a le n t ( s a m e is o t o p e ) , a n d t h e f u ll d y n a m ic s t r u c t u r e f a c t o r

2 π

N

S ( Q , ω ) = 1 I e i ω f i t 1 Σ e i Q · r x ( 0 ) e i Q · r y ( t )

x , y

T h e s t r u c t u r e f a c t o r s d e p e n d o n ly o n t h e m a t e r ia l p r o p e r t ie s . T h u s t h e y g iv e in f o r m a t io n a b o u t t h e m a t e r ia l w h e n o b t a in e d f r o m e x p e r im e n t s .

In te r m e d i a te S c a tte r i n g F u n c ti o n

F r o m t h e e x p r e s s io n s a b o v e f o r t h e s t r u c t u r e f a c t o r s , it is c le a r t h a t t h e y c a n b e o b t a in e d a s t h e F o u r ie r T r a n s f o r m ( w it h r e s p e c t t o t im e ) o f t h e q u a n t it ie s :

N

S

F ( Q , t ) = 1 * Σ e i Q · r ( 0 ) e i Q · r x ( t ) +

a n d

x

N

F ( Q , t ) = 1 * Σ e i Q · r x ( 0 ) e i Q · r y ( t ) +

x , y

T h e s e a r e c a lle d t h e in t e r m e d ia t e s c a t t e r in g f u n c t io n s . G o in g e v e n f u r t h e r , w e c a n w r it e e v e n t h e s e f u n c t io n a s a F o u r ie r T r a n s f o r m ( w it h r e s p e c t t o p o s it io n ) . F o r e x a m p le , f o r e q u iv a le n t t a r g e t s ( n o d is t r ib u t io n in is o t o p e n o r s p in ) , w e h a v e

F S ( Q , t ) = D e i Q · r ( 0 ) e i Q · r ( t ) E

B y d e fi n in g a t h e p o s it io n o f a t e s t p a r t ic le , n ( R , t ) = δ ( R r ( t ) ) , w e c a n c a lc u la t e t h e f o u r ie r t r a n s f o r m n ( Q , t ) :

n ( Q , t ) = I d 3 r e i Q · R n ( R , t ) = e i Q · r ( t )

T h e n w e h a v e F S ( Q , t ) = ( n ( Q , t ) n ( Q , 0 ) ) . W e c a n a s w e ll d e fi n e t h e v a n - H o v e s p a c e - t im e s e lf c o r r e la t io n f u n c t io n ,

G s ( r , t ) = I d 3 r ( n ( r , 0 ) n ( r + r , t ) )

w h ic h r e p r e s e n t s a c o r r e la t io n o f t h e t e s t p a r t ic le in s p a c e - t im e . T h e in t e r m e d ia t e s c a t t e r in g f u n c t io n is o b t a in e d f r o m G s a s

F S ( Q , t ) = I d 3 r e i Q · r G s ( r , t )

T h e s e fi n a l r e la t io n s h ip m a k e s it c le a r t h a t F S is t h e F o u r ie r t r a n s f o r m ( w it h r e s p e c t t o s p a c e ) o f t h e t im e - d e p e n d e n t c o r r e la t io n o f t h e t e s t p a r t ic le d e n s it y , n ( R , t ) , w h ic h o n ly d e p e n d s o n t h e t a r g e t c h a r a c t e r is t ic s .

E x a m p l e I: R e s ti n g , f r e e n u c l e u s

W e c o n s id e r t h e s c a t t e r in g f r o m o n e r e s t in g f r e e n u c le u s . W e n e e d o n ly c o n s id e r t h e s e lf d y n a m ic s f a c t o r a n d w e h a v e

b c = b = b :

d 2 σ k f 2

σ b k f

= b S ( Q , ω ) = S ( Q , ω )

d d ω k i 2 π h k i

w h e r e w e in t r o d u c e d t h e b o u n d c r o s s s e c t io n σ b = 4 π b 2 ( w it h u n it s o f a n a r e a ) . S in c e t h e n u c le u s is f r e e , t h e in t e r m e d ia t e f u n c t io n is v e r y s im p le . F r o m

w e c a n u s e t h e B C H f o r m u la t o w r it e

F S ( Q , t ) = D e i Q · r ( 0 ) e i Q · r ( t ) E

F S ( Q , t ) = e

2

D i Q · [ r ( 0 ) r ( t ) ] + 1 [ Q · r ( 0 ) , Q · r ( t ) ] E

T h e n w e w a n t t o c a lc u la t e [ r ( 0 ) , r ( t ) ] in o r d e r t o s im p lif y t h e p r o d u c t o f t h e t w o e x p o n e n t ia l. F o r a f r e e p a r t ic le ,

m

r ( t ) = r ( 0 ) + p t a n d [ r ( 0 ) , p ] = i h . T h e n w e h a v e

F S ( Q , t ) = e

2 m

= e e

D i Q · [ r ( 0 ) r ( t ) ] + i k Q 2 t E D i Q · p /m E

2 m

+ i k Q 2 t

a n d f o r a n u c le u s a t r e s t ( p = 0 ) w e h a v e T h is g iv e s t h e s t r u c t u r e f a c t o r

a n d t h e c r o s s - s e c t io n

F ( Q , t ) = e i k t Q 2 / ( 2 m )

S

( )

h Q 2

S s ( Q , ω ) = δ ω 2 m

=

d d E 2 π h k i

δ ω

2 m

d 2 σ σ b k f ( h Q 2 )

S in c e Q = k f k i , w e h a v e Q 2 = k 2 + k 2 2 k i k f c o s ϑ . A ls o , ω = E f E i a n d k 2 = 2 m E a 2 A E a w h e r e w e

i f a

s u b s t it u t e d A f o r t h e m a s s o f t h e n u c le u s .

d E

W e c a n t h e n in t e g r a t e t h e c r o s s - s e c t io n o v e r t h e s o lid a n g le , t o fi n d d σ :

=

d E

2 π h k i

δ ω

2 m

2 π s in ϑ d ϑ =

4 E i

( A 1 ) 2 / ( A + 1 ) 2 E i

δ ( x ) d x

d σ I π σ b k f ( h Q 2 ) A σ b I E i

D e fi n in g t h e f r e e - a t o m c r o s s s e c t io n σ f

w e h a v e

1 2

( )

σ f = 1 + A σ b

=

f

d σ { σ

( A + 1 ) 2 , f o r ( A 1 f 2 E < E < E

4 A E A + 1

f

d E 0 , o t h e r w is e

T h is e x p r e s s io n f o r t h e c r o s s s e c t io n c a n a ls o b e o b t a in e d m o r e s im p ly f r o m a n e n e r g y c o n s e r v a t io n a r g u m e n t .

E x a m p l e I I: S c a tte r i n g f r o m a c r y s ta l l a tti c e

W e c o n s id e r n o w t h e s c a t t e r in g o f n e u t r o n s f r o m a c r y s t a l. F o r s im p lic it y , w e w ill c o n s id e r a o n e - d im e n s io n a l c r y s t a l la t t ic e m o d e le d a s a 1 D q u a n t u m h a r m o n ic o s c illa t o r . T h e p o s it io n r x ( in 1 D ) o f a n u c le u s in t h e la t t ic e is t h e n t h e p o s it io n o f a n h a r m o n ic o s c illa t o r o f m a s s M a n d f r e q u e n c y ω 0 ,

w it h e v o lu t io n g iv e n b y t h e H a m ilt o n ia n

x = h

J

2 M ω 0

( a + a )

p 2 M ω 2 1

H 0

= + 0 x 2 = h ω ( a a + ) 2 M 2 2

If w e c o n s id e r n o v a r ia t io n o f is o t o p e a n d s p in f o r s im p lic it y , w e o n ly n e e d t h e s e lf - in t e r m e d ia t e s t r u c t u r e f u n c t io n is

1

F S ( Q , t ) = e i Q · x ( 0 ) e i Q · x ( t ) = e i Q · [ x ( 0 ) x ( t ) ] e + 2 [ Q · x ( 0 ) , Q · x ( t ) ]

F ir s t r e m e m b e r t h a t

p ( 0 )

0

x ( t ) = x ( 0 ) c o s ( ω 0 t ) + M ω

s in ( ω 0 t )

f o r a n h a r m o n ic o s c illa t o r . T h e n [ x ( 0 ) , x ( t ) ] = [ x ( 0 ) , p ( 0 ) ] 1 s in ( ω t ) = i k s in ( ω t ) . A ls o w e h a v e

0

2 M ω 0

M ω 0

0 M ω 0 0

0

M ω 0

x ( t ) = x ( t ) x ( 0 ) = x ( 0 ) [1 c o s ( ω t ) ] +

p ( 0 ) s in ( ω t ) = J h

( a e i ω 0 t + a e i ω 0 t )

W e w a n t t o e v a lu a t e ( e i Q x ( t ) ) . U s in g a g a in t h e B C H f o r m u la , w e h a v e

e

2 M ω 0

= e = e e e

i Q k ( ae i ω 0 t + a e i ω 0 t )

α a α a α a

α a | α | 2 [ a, a ] / 2

2 M ω 0

w it h α = i Q V k e i ω 0 t . S in c e [ a , a ] = 1 , w e o n ly n e e d t o e v a lu a t e t h e e x p e c t a t io n v a lu e D e α a e α a E , b y

n m

e x p a n d in g in s e r ie s t h e e x p o n e n t ia ls :

e e =

D α a

a a

α a E Σ ( m

n , m

n ) α ( α )

n ! m !

2 n

O n ly t h e t e r m s w it h m = n s u r v iv e ( t h e o t h e r t e r m s a r e n o t d ia g o n a l in t h e n u m b e r b a s is )

D α a

α a E Σ (

n n ) ( | α | )

e e =

n

N o w ( a n a n ) = n ! ( ( a a ) n ) , t h u s w e fi n a lly h a v e

( a a )

( n !) 2

e

e

=

( a a )

D α a α a E Σ (

n

n ) ( | α | )

n !

| α | 2 ( a a )

2 n

( )

Q 1 1 i Q

= e

T h is r e s u lt is a p a r t ic u la r c a s e o f t h e B lo c h id e n t it y , e A = e ( A 2 ) / 2 w h e r e A = α a + β a is a n y c o m b in a t io n o f t h e c r e a t io n a n d a n n ih ila t io n o p e r a t o r s . F in a lly , w e o b t a in e d f o r t h e in t e r m e d ia t e f u n c t io n :

F S ( Q , t ) = e i Q · x ( 0 ) e i Q · x ( t )

2 k k 2

= e 2 M ω 0 ( ( n ˆ ) + 2 ) e + 2 M ω 0 s i n ( ω 0 t )

( )

W e c a n a ls o r e w r it e t h is u s in g t h e B lo c h id e n t it y U s in g t h e B lo c h id e n t it y , e A = e ( A 2 ) / 2 w h e r e A = α a + β a is a n y c o m b in a t io n o f t h e c r e a t io n a n d a n n ih ila t io n o p e r a t o r s , w e c a n r e w r it e t h is a s

F S ( Q , t ) = e e =

e

e

2

= e e

2

D i Q · x ( 0 ) i Q · x ( t ) E ( i Q x ) + 1 [ Q · x ( 0 ) , Q · x ( t ) ] Q 2 ( x 2 ) / 2 + 1 [ Q · x ( 0 ) , Q · x ( t ) ]

N o w ,

( x 2 ) = ( x ( 0 ) 2 ) + ( x ( t ) 2 ) + 2 ( x ( 0 ) x ( t ) ) ( [ x ( 0 ) , x ( t ) ] ) = 2 ( x 2 ) + 2 ( x ( 0 ) x ( t ) ) ( [ x ( 0 ) , x ( t ) ] )

f r o m w h ic h w e o b t a in

S

F ( Q , t ) = e Q 2 ( x 2 ) e Q 2 ( x ( 0 ) x ( t ) )

If t h e o s c illa t o r is in a n u m b e r s t a t e | n ) , w e h a v e

( ) ( ) 0

h h

x 2 = ( 2 n + 1 ) , x ( 0 ) x ( t ) = [2 n c o s ( ω t ) + e i ω 0 t ] 2 M ω 0 2 M ω 0

If w e c o n s id e r a n o s c illa t o r a t t h e r m a l e q u ilib r iu m , w e n e e d t o r e p la c e n w it h ( n ) t h . In t h e h ig h t e m p e r a t u r e lim it ,

( n ) 1 a n d w e c a n s im p lif y :

k Q 2 ( n ) [ 1 c o s ( ω t ) ] Q 2 W / 2 Q 2 W ( t ) / 2

F S ( Q , t ) = e M ω 0 0 = e 0 e

w it h W = 2 ( n ) k a n d W ( t ) = W c o s ( ω t ) . T h is f o r m o f t h e in t e r m e d ia t e f u n c t io n is t h e s a m e e x p r e s s io n o n e w o u ld

0 M ω 0 0 0

2

o b t a in f r o m a c la s s ic a l t r e a t m e n t a n d t h e t e r m e Q W 0 / 2 is c a lle d t h e D e b y e - W a lle r f a c t o r .

T h e in t e r m e d ia t e s t r u c t u r e f u n c t io n is t h u s a G a u s s ia n f u n c t io n , w it h a t im e - d e p e n d e n t w id t h , W 0 W ( t ) . If W 0 < 1 w e c a n m a k e a n e x p a n s io n o f t h e t im e - d e p e n d e n t t e r m :

S

1 + W 0 c o s ( ω 0 t ) + 2 W 0 c o s ( ω 0 t ) + . . .

F ( Q , t ) = e Q 2 W 0 / 2 e Q 2 W 0 c o s ( ω 0 t ) / 2 e Q 2 W 0 / 2

1 2 2

±

T h e n t h e s t r u c t u r e f a c t o r , w h ic h is t h e F o u r ie r t r a n s f o r m o f F S w ill b e a s u m o f D ir a c f u n c t io n s a t f r e q u e n c ie s ω = n ω 0 c o r r e s p o n d in g t o t h e n - p h o n o n c o n t r ib u t io n t o t h e s c a t t e r in g . H e r e t h e t e r m s δ ( ω n ω 0 ) c o r r e s p o n d t o s c a t t e r in g e v e n t s w h e r e t h e e n e r g y h a s b e e n t r a n s f e r e d f r o m t h e n e u t r o n t o t h e o s c illa t o r , w h ile t e r m s δ ( ω + n ω 0 ) d e s c r ib e a t r a n s f e r o f e n e r g y f r o m t h e la t t ic e t o t h e n e u t r o n . T h e c o n s t a n t t e r m y ie ld s δ ( ω ) w h ic h d e s c r ib e s n o e n e r g y e x c h a n g e o r e la s t ic s c a t t e r in g ( z e r o - p h o n o n t e r m ) . N o t e t h a t t h e e x p a n s io n c o e ffi c ie n t , W 0 c a n b e e x p r e s s e d in t e r m s

0

o f t h e t e m p e r a t u r e , s in c e in t h e h ig h t e m p e r a t u r e lim it , ( n ) k b T , f r o m w h ic h W

= 2 k b T .

In t h e lo w t e m p e r a t u r e lim it , ( n ) 0 . T h u s w e h a v e :

k ω 0

0 M ω 2

k Q 2 { 2 ( n ) [ 1 c o s ( ω t ) ] + 1 e i ω 0 t } Q 2 k Q 2 k Q 2 e i ω 0 t

F S ( Q , t ) = e

2 M ω 0

0 e

2 M ω 0 e 2 M ω 0

E x p a n d in g in s e r ie s t h e s e c o n d t e r m , w e h a v e

F S ( Q , t ) e Q

2 M ω 0 1 + e i ω 0 t + e 2 i ω 0 t + . . .

2 M ω 0 2 2 M ω 0

2 k Q 2 "

h Q 2 1 ( h Q 2 ) 2 #

E v e n a t lo w t e m p e r a t u r e , t h e s t r u c t u r e f a c t o r ( t h e F o u r ie r t r a n s f o r m o f t h e e x p r e s s io n a b o v e ) is a s u m o f D ir a c f u n c t io n , a ls o c a lle d a p h o n o n e x p a n s io n . H o w e v e r in t h is c a s e o n ly t e r m s δ ( ω n ω 0 ) a p p e a r , s in c e e n e r g y c a n o n ly b e g iv e n f r o m t h e n e u t r o n t o t h e la t t ic e ( w h ic h is in it ia lly in it s g r o u n d s t a t e ) .

1 2 . 2 E m i s s i o n a n d Ab s o r p t i o n

A t o m s a n d m o le c u le s c a n a b s o r b p h o t o n s a n d m a k e a t r a n s it io n f r o m t h e ir g r o u n d s t a t e t o a n e x c it e d le v e l. F r o m t h e e x c it e d s t a t e , t h e y c a n e m it p h o t o n s ( e it h e r in t h e p r e s e n c e o r a b s e n c e o f a p r e e x is t in g e .m . fi le d ) a n d t r a n s it io n t o a lo w e r le v e l. U s in g T D P T a n d t h e q u a n t iz a t io n o f t h e fi e ld w e c a n c a lc u la t e t h e t r a n s it io n r a t e s .

1 2 . 2 . 1 E m i s s i o n

|e ,n>

|g ,n+1>

| |

F i g . 2 1 : M o d e l f o r e mi s s i o n : t h e a t o m ( m o l e c u l e ) m a k e s a t r a n s i t i o n f r o m t h e e x c i t e d l e v e l ( e ) t o t h e g r o u n d s t a t e ) g ) w h i l e t h e n u m b e r o f p h o t o n s i n t h e mo d e k , λ g o e s f r o m n t o n + 1 .

T h e r a t e o f e m is s io n is g iv e n s im p ly b y

2 π 2

W = | ( f | V | i ) | ρ ( E ) .

h f

W e s e p a r a t e t h e fi e ld a n d t h e a t o m ( o r m o le c u le ) le v e ls :

| i ) = | n k λ ) | e ) , | f ) = | n k λ + 1 ) | g )

A s w e a r e lo o k in g a t a t o m ic / o p t ic a l p r o c e s s e s t h e d ip o la r a p p r o x im a t io n is a d e q u a t e a n d t h e in t e r a c t io n is g iv e n b y :

V = d k · E k = e k r · E k . R e m e m b e r t h e e x p r e s s io n f o r t h e e le c t r ic fi e ld :

L 3

k λ

k λ

E k = Σ J 2 π h ω k ( a

e i k r + a

e i k r f k ǫ k λ

k , λ

·

h

2

k λ

T h e p o s it io n o f t h e e le c t r o n w h ic h m a k e s t h e t r a n s it io n c a n b e w r it t e n a s k r = R k + ρ k , w h e r e R k is t h e n u c le u s p o s it io n . S in c e t h e r e la t iv e p o s it io n o f t h e e le c t r o n w it h r e s p e c t t o t h e n u c le u s is ρ λ , w e c a n n e g le c t it a n d s u b s t it u t e r w it h R in t h e e x p o n e n t ia l ( ρ k k k 1 ) . T h is s im p lifi e s t h e c a lc u la t io n , s in c e R is n o t a n o p e r a t o r a c t in g o n t h e e le c t r o n s t a t e . T h e n , f r o m t h e r a t e :

w e o b t a in

W = 2 π | ( g | d k | e ) · ( n

+ 1 | E k | n k λ

) | ρ ( E f )

W =

ω k , λ ( n k λ + 1 | a k λ e + a k λ e

( 2 π e ) 2 Σ

L 3

k , λ

( i k R i k R f

2

| n k λ ) ( g | k r · ǫ k , λ | e )

ρ ( E f )

S in c e w e a r e c r e a t i n g a p h o t o n , o n ly t e r m s a s u r v iv e a n d s p e c ifi c a lly t h e t e r m w it h t h e c o r r e c t w a v e v e c t o r a n d p o la r iz a t io n : ( n k λ + 1 | a k λ | n k λ ) = n k λ + 1 ( a ll o t h e r t e r m s a r e z e r o ) . T h e n w e h a v e :

( 2 π e ) 2 2

W = L 3 ω k , λ ( n k , λ + 1 ) |( g | k r · ǫ k , λ | e ) | ρ ( E f )

S in c e t h e a t o m is le f t in a s p e c ifi c fi n a l s t a t e , t h e d e n s it y o f s t a t e s is d e fi n e d b y t h e e .m . fi e ld :

ρ ( E f ) d E f = ρ ( h ω k ) h d ω k

A s ω k

= c k a n d ρ ( k ) d 3 k = L 3 k 2 d k d = L 3 ω 2 d ω d w e h a v e :

2 π 2 π c 3

( )

ρ ( E ) =

L 3 ω 2

2 π h c 3 d

( | | )

W e d e fi n e t h e d ip o le t r a n s it io n m a t r ix e le m e n t f r o m t h e d ip o le o p e r a t o r d k = e k r , d g e = g d e . T h e r a t e o f e m is s io n is t h e n :

ω 3 2

2 π h c 3

W = k ( n k λ + 1 ) | k ǫ k λ · d k g e | d

F r o m t h is e x p r e s s io n it e a s y t o s e e t h a t t h e r e a r e t w o c o n t r ib u t io n s t o e m is s io n : S p o n t a n e o u s e m is s io n :

ω 3 2

2 π h c 3

W = k | k ǫ k λ · d k g e | d

w h ic h h a p p e n s e v e n in t h e v a c u u m e .m . a n d s t im u la t e d e m is s io n :

ω 3 2

2 π h c 3

W = k n k λ | k ǫ k λ · d k g e | d

w h ic h h a p p e n s o n ly w h e n t h e r e a r e a lr e a d y n p h o t o n s o f t h e c o r r e c t m o d e .

S p o n ta n e o u s E m i s s i o n

k

θ

φ

|e ,0

d

ε 2

|g ,1 ε 1

F i g . 2 2 : G e o me t r y o f s p o n t a n e o u s e m i s s i o n

S in c e t h e p h o t o n s e m it t e d c a n h a v e a n y p o la r iz a t io n ǫ a n d a n y w a v e v e c t o r k k d ir e c t io n , w e h a v e t o s u m o v e r a ll p o s s ib ilit ie s . W e a s s u m e t h a t t h e d ip o le v e c t o r f o r m s a n a n g le ϑ w it h r e s p e c t t o t h e w a v e v e c t o r k . T h e n t h e t w o p o s s ib le p o la r iz a t io n v e c t o r s a r e p e r p e n d ic u la r t o k , a s in F ig . 2 2 . T h e r a t e is t h e s u m o f t h e r a t e s f o r e a c h p o la r iz a t io n W s p = W 1 + W 2 , e a c h p r o p o r t io n a l t o | d · ǫ k 1 , 2 | 2 ,

d · ǫ k , 1 = d s in ϑ c o s ϕ , d · ǫ k , 2 = d s in ϑ s in ϕ

W e t h u s o b t a in t h e t y p ic a l s in 2 ϑ a n g u la r d e p e n d e n c e o f d ip o la r r a d ia t io n ( a ls o s e e n f o r c la s s ic a l d ip o le s ) :

W s p = k | d g e |

ω 3

2 π h c 3

2 s in 2

ϑ d

T h e t o t a l e m is s io n c o e ffi c ie n t , o r E in s t e in ’s e m is s io n c o e ffi c ie n t , is o b t a in e d b y in t e g r a t in g o v e r t h e s o lid a n g le :

2 2

A e = W d =

k

| d g e | 2 π ( 1 µ ) d µ =

k d 2

I ω 3 I 1 4 ω 3

2 π h c 3 1 3 h c 3

g e

G iv e n t h e r a t e , w e c a n a ls o c a lc u la t e t h e p o w e r e m it t e d , a s r a t e t im e s e n e r g y

P = h ω A

4 ω 4

= 2

k e k d g e

3

3 c

N o t ic e t h a t t h is is v e r y s im ila r t o t h e p o w e r e m it t e d b y a c l a s s i c a l o s c illa t in g d ip o le ( a s if t h e e .m . fi e ld w a s e m it t e d b y o r b it in g e le c t r o n s ) .

S ti m u l a te d E m i s s i o n

s t s p

In t h e s t im u la t e d e m is s io n , W k λ = n k λ W k λ . O n ly p h o t o n s w it h t h e s a m e f r e q u e n c y ( k k ) a n d p o la r iz a t io n o f t h e o n e s a lr e a d y in t h e fi e ld c a n b e e m it t e d . T h e n , a s m o r e p h o t o n s in a p a r t ic u la r m o d e a r e e m it t e d , it b e c o m e s e v e n m o r e p r o b a b le t o p r o d u c e p h o t o n s in t h e s a m e m o d e : w e p r o d u c e a b e a m o f c o h e r e n t p h o t o n s ( i.e . a ll w it h t h e s a m e c h a r a c t e r is t ic s a n d p h a s e c o h e r e n t w it h e a c h o t h e r ) . If t h e a t o m s c a n b e k e p t in t h e e x c it e d ( e m it t in g ) le v e ls , w e o b t a in a L A S E R ( lig h t a m p lifi c a t io n b y s t im u la t e d e m is s io n o f r a d ia t io n ) . O f c o u r s e , u s u a lly it is m o r e p r o b a b le t o h a v e t h e p h o t o n s a b s o r b e d t h a n t o h a v e it c a u s e a s t im u la t e d e m is s io n , s in c e a t e q u ilib r iu m w e u s u a lly h a v e m a n y m o r e a t o m s in t h e g r o u n d s t a t e t h a n in t h e e x c it e d s t a t e , n g n e . A m e c h a n is m c a p a b le o f in v e r t in g t h e p o p u la t io n o f t h e a t o m ic s s t a t e s ( s u c h a s o p t ic a l p u m p in g ) is t h e n n e e d e d t o s u p p o r t a la s e r .

1 2 . 2 . 2 A b so r p t i o n

T h e r a t e o f a b s o r p t io n is o b t a in e d in a w a y v e r y s im ila r t o e m is s io n . T h e r e s u lt is

2 π k

2 ω 3 2

2 π h c 3

W = h | ( e | d | g ) · ( n k λ | E k | n k λ + 1 ) | ρ ( E f ) = k n k λ | k ǫ k λ · d k e g | d

( a s ( n k λ | a k λ | n k λ + 1 ) = n k λ ) .

1 2 . 2 . 3 B l a c kb o d y R a d i a t i o n

W e c o n s id e r a c a v it y w it h r a d ia t io n in e q u ilib r iu m w it h it s w a ll. T h e n t h e p o la r iz a t io n a n d k k - v e c t o r o f t h e p h o t o n s is r a n d o m , a n d t o o b t a in t h e t o t a l a b s o r p t io n r a t e w e n e e d t o in t e g r a t e o v e r it , a s d o n e f o r t h e e m is s io n . W e o b t a in

W ab = W ab ( ϑ ) d = n k

k d g e

I 4 ω 3 2

3 h c 3

f o r a g iv e n f r e q u e n c y ( a n d w a v e v e c t o r le n g t h ) . S im ila r ly , t h e t o t a l e m is s io n is o b t a in e d a s t h e s u m o f s p o n t a n e o u s a n d s t im u la t e d e m is s io n :

4 ω 3 2

h 3

W e = W s t + W s p = ( n k + 1 ) k d g e

3 c

In t h e s e e x p r e s s io n n k is t h e n u m b e r o f p h o t o n s in t h e m o d e k . S in c e w e a s s u m e d t o b e a t e q u ilib r iu m , n k d e p e n d s o n ly o n t h e e n e r g y d e n s it y a t t h e a s s o c ia t e d f r e q u e n c y ω k . T h e e n e r g y d e n s it y is g iv e n b y t h e e n e r g y p e r v o lu m e , w h e r e t h e e n e r g y is g iv e n b y t h e t o t a l n u m b e r o f p h o t o n s t im e s t h e ir e n e r g y , E = n k ρ ( ω k ) h ω k :

u ( ω k ) = h ω k ρ ( ω k ) n k / L 3

k

2 π c c 3 π 2

3

T h e n , f r o m t h e d e n s it y o f s t a t e s ρ ( ω ) = 2 L 3 ω 2 d =

L ω 2 , w e o b t a in

n k =

π 2 c 3

h ω 3 u ( ω k )

k

T h e r a t e s c a n t h e n b e w r it t e n in t e r m s o f t h e e n e r g y d e n s it y a n d o f E in s t e in ’s c o e ffi c ie n t s f o r a b s o r p t io n a n d e m is s io n :

4 π 2 2

B ab = 3 h 2 d

4 ω 3 2

W ab = B ab u ( ω k )

h 3

B e m = B ab , A e = k d g e

3 c

W e m = A e + B e m u ( ω k )

D e ta i l e d B a l a n c i n g

e m

ab

A t e q u ilib r iu m , w e n e e d t o h a v e t h e s a m e n u m b e r o f p h o t o n s a b s o r b e d a n d e m it t e d ( t o p r e s e r v e t h e ir t o t a l n u m b e r ) . T h e n N e W k = N g W k . U s in g E in s t e in ’s c o e ffi c ie n t , w e h a v e N e ( A + u B ) = N g B u w h ic h y ie ld s N e A = u B ( N g N e ) .

T h is is t h e p r in c ip le o f d e t a ile d b a la n c in g .

W e c a n s o lv e f o r t h e e n e r g y d e n s it y : u = A / B . B u t f r o m t h e ir e x p lic it e x p r e s s io n s w e h a v e A / B = k ω 3 a n d f r o m

N g / N e 1 π 2 c 3

t h e c o n d it io n t h a t a t o m s a r e in t h e r m a l e q u ilib r iu m , t h e ir p o p u la t io n r a t io is g iv e n b y N g = e β E g

= e β ( E g E e ) =

N e e β E e

e β k ω k ( s in c e h ω k is t h e e x a c t e n e r g y n e e d e d f o r t h e t r a n s it io n f r o m g r o u n d t o e x c it e d s t a t e ) . F in a lly , w e o b t a in t h e e n e r g y d e n s it y s p e c t r u m f o r t h e b la c k - b o d y :

h ω 3 / π 2 c 3

u ( ω k , T ) = e β k ω k 1

1 2 . 3 W i g n e r - W e i s s k o p f Th e o r y

1 2 . 3 . 1 I n t e r a c t i o n o f a n a t o m w i t h a s i n g l e m o d e e . m . fi e l d

R e c a ll w h a t w e s t u d ie d in S e c t io n 1 0 .5 . W e c o n s id e r a g a in a t w o - le v e l s y s t e m ( a n a t o m ) in t e r a c t in g w it h a s in g le m o d e o f t h e e .m . fi e ld . T h e H a m ilt o n ia n s im p lifi e s t o H = H 0 + V , w it h

H = h ν a a + h ω σ , V = h g ( σ a + σ

a )

0 2 z +

w h e r e g = 1 J ν 3 d · ǫ is t h e d ip o le o p e r a t o r .

2 k L

W e m o v e t o t h e in t e r a c t io n f r a m e d e fi n e d b y t h e H 0 H a m ilt o n ia n , U = e i H 0 t , t h e n H I = U V U o r

+

I

H = h g e i ν t a a e i ω σ z t / 2 ( σ

a + σ

a ) e i ν t a a e i ω σ z t / 2 = h g e i ( ω ν ) t σ

a + e i ( ω ν ) t σ

a

+

W e w ill u s e t h e n o t a t io n = ω ν . W e w a n t n o w t o s t u d y t h e e v o lu t io n o f a p u r e s t a t e in t h e in t e r a c t io n f r a m e :

i h ψ ˙ = H I | ψ ) . W e c a n w r it e a g e n e r a l s t a t e a s | ψ ) = L n α n ( t ) | e , n ) + β n ( t ) | g , n ) . N o t ic e t h a t s in c e w e h a v e a T L S ,

σ + | e ) = 0 a n d σ | g ) = 0 . T h e e v o lu t io n is t h e n g iv e n b y :

i h Σ α ˙ n | e , n ) + β ˙ n | g , n ) = h g Σ α n σ a e i t | e , n ) + β n σ + a e i t | g , n )

n n

n

= h g Σ α n e i t n + 1 | g , n + 1 ) + β n e i t n | e , n 1 ) W e t h e n p r o j e c t t h e s e e q u a t io n s o n ( e , n | a n d ( g , n | :

i h α ˙ n = h g β n + 1 ( t ) e i t n + 1

i h β ˙ n = h g α n 1 ( t ) e i t n

t o o b t a in a s e t o f e q u a t io n s :

i t

{ α ˙ n = i g β n + 1 e n + 1

β ˙ n + 1 = i g α n e i t n + 1

T h is is a c lo s e d s y s t e m o f d iff e r e n t ia l e q u a t io n s a n d w e c a n s o lv e f o r α n , β n + 1 .

F o r e x a m p le : w e c a n a s s u m e t h a t in it ia lly t h e a t o m is in t h e e x c it e d s t a t e | e ) a n d it d e c a y s t o t h e g r o u n d s t a t e | g )

( t h a t is , β n ( 0 ) = 0 , n ) . T h e n w e h a v e :

α n ( t ) = α n ( 0 ) e i t / 2 c o s ( ) s in ( )

n t i n t

2 n 2

β n ( t ) = α n

( 0 ) e i t / 2 2 i g n + 1 s in ( n t )

n 2

n

w it h 2 = 2 + 4 g 2 ( n + 1 ) . If in it ia lly t h e r e is n o fi e ld ( i.e . t h e e .m . fi e ld is in t h e v a c u u m s t a t e ) t h e n α 0 ( 0 ) = 1 ,

w h ile α n ( 0 ) = 0 n = /

0 . T h e n t h e r e a r e o n ly t w o c o m p o n e n t s t h a t a r e d iff e r e n t t h a n z e r o :

α ( t ) = e i t / 2 " c o s ( 0 t ) J i s in ( 0 t ) #

0 2

i t / 2

1

2 + 4 g 2 2

β ( t ) = e J

2 i g

2 + 4 g 2 2

s in ( 0 t )

T h u s , e v e n in t h e a b s e n c e o f fi e ld , it is p o s s ib le t o m a k e t h e t r a n s it io n f r o m t h e g r o u n d t o t h e e x c it e d s t a t e ! In t h e s e m ic la s s ic a l c a s e ( w h e r e t h e fi e ld is t r e a t e d a s c la s s ic a l) w e w o u ld h a v e n o t r a n s it io n a t a ll. T h e o s c illa t io n s o b t a in e d in t h e q u a n t u m c a s e a r e c a lle d t h e v a c u u m R a b i o s c illa t io n s .

1 2 . 3 . 2 I n t e r a c t i o n w i t h m a n y m o d e s o f t h e e . m . fi e l d

In a n a ly z in g t h e in t e r a c t io n o f a n a t o m w it h a s i n g l e m o d e o f r a d ia t io n w e f o u n d t h a t t r a n s it io n s c a n o c c u r o n ly if e n e r g y is c o n s e r v e d . In t h e r e a l w o r ld h o w e v e r w e a r e a lw a y s c o n f r o n t e d w it h a fi n it e lin e w id t h o f a n y t r a n s it io n . In o r d e r t o fi n d t h e lin e w id t h w e n e e d t o lo o k a t a m u lt i- m o d e fi e ld .

C o n s id e r t h e s a m e H a m ilt o n ia n a s u s e d in t h e p r e v io u s s e c t io n , b u t n o w w e t r e a t a fi e ld w it h m a n y m o d e s . T h e in t e r a c t io n H a m ilt o n ia n in t h e in t e r a c t io n f r a m e is g iv e n b y

k

V I = h Σ g k a k σ + e i ( ω ν k ) t + g k a σ e i ( ω ν k ) t

k

Σ

W e c o n s id e r a c a s e s im ila r t o t h e o n e c o n s id e r a t t h e e n d o f t h e p r e v io u s s e c t io n , w h e r e in it ia lly t h e e .m . fi e ld is in t h e v a c u u m s t a t e a n d t h e a t o m ic t r a n s it io n c r e a t e s o n e p h o t o n . N o w , h o w e v e r , t h is p h o t o n c a n b e in o n e o f m a n y m o d e s . T h e s t a t e v e c t o r is t h e n :

| ψ ( t ) ) = α ( t ) | e , 0 ) + β k | g , 1 k )

k

( n o w t h e in d e x k in β k la b e l t h e m o d e a n d n o t t h e p h o t o n n u m b e r ) a n d t h e in it ia l c o n d it io n s a r e α ( 0 ) = 1 , β k ( 0 ) = 0 ,

{ L

k . T h e s y s t e m o f e q u a t io n s f o r t h e c o e ffi c ie n t s a r e

α ˙ ( t ) = i k g k e i ( ω ν k ) t β k ( t )

β ˙ k ( t ) = i g k e i ( ω ν k ) t α ( t )

˙

k

If w e c o n s id e r t h is t r a n s it io n a s a d e c a y p r o c e s s f r o m t h e e x c it e d t o t h e g r o u n d s t a t e , | α ( t ) | 2 g iv e s t h e d e c a y p r o b a b ilit y . T o s o lv e f o r α ( t ) w e fi r s t in t e g r a t e β :

α ˙ = i g k e

k

k

i g k e

Σ i ( ω ν ) t ( I t

0

i ( ω ν ) t

)

α ( t ) d t

W e c a n r e w r it e t h e e x p r e s s io n a s :

Σ

I

t

2

0

α ˙ = | g k |

k

d t e

i ( ω ν k ) ( t t )

α ( t )

L

A s s um pt i o n 1 )

ρ ( k ) d 3 k , w it h t h e d e n s it y o f s t a t e s s e t b y ν

= c k a s u s u a l: ρ ( k ) d 3 k = 2 L 3 k 2 d k d ϕ s in ϑ d ϑ .

W e a s s u m e t h a t t h e m o d e s o f t h e e .m . f o r m a c o n t in u u m , s o t h a t w e c a n r e p la c e t h e s u m b y a n in t e g r a l k

k

2 π

2

W e t h e n r e m e m b e r t h e e x p lic it f o r m o f t h e in t e r a c t io n c o u p lin g in t e r m s o f t h e d ip o le o p e r a t o r :

= | d |

a n d u s in g a g a in ν k = c k w e o b t a in

| g k |

ν k

4 h L 3 e g

2 s in 2 ϑ

4 | d e g | 2 I

3 I t

i ( ω ν ) ( t t )

A s s um pt i o n 2 )

α ˙ = ( 2 π ) 2 6 h c 3

ν k d ν k d t e

0 0

k α ( t )

In o r d e r f o r t h e t r a n s it io n t o h a p p e n , w e s t ill n e e d ν k ω .

k

T h is a llo w s t w o s im p lifi c a t io n s : i) w e c a n r e p la c e ν 3 w it h ω 3 in t h e in t e g r a l, a n d ii) w e c a n e x t e n d t h e lo w e r in t e g r a l lim it t o ( s in c e a n y w a y w e k n o w t h a t it w ill g iv e c o n t r ib u t io n s o n ly f o r ν k ω ) . B y f u r t h e r m o r e in v e r t in g t h e o r d e r o f t h e in t e g r a ls w e o b t a in

ν k d ν k

I 3

I t

I t

3 I

d ν k e

k

i ( ω ν ) ( t t )

I t 3 3

d t · · ·

d t α ( t ) ω

=

d t α ( t ) ω 2 π δ ( t t ) = 2 π α ( t ) ω

0 0 0 0

T h u s , t h e d iff e r e n t ia l e q u a t io n d e fi n in g t h e e v o lu t io n o f α ( t ) s im p lifi e s t o

1 d 2 ω 3 Γ

α ˙ ( t ) = e g α ( t ) = α ( t ) 2 π 3 h c 3 2

H e r e w e d e fi n e d t h e r a t e o f s p o n t a n e o u s e m is s io n

e g

d 2 ω 3

Γ =

3 π h c 3

N o t ic e t h a t t h e d e c a y r a t e is r e la t e d t o E in s t e in ’s e m is s io n r a t e , a s Γ = A e / 4 π a s w e s h o u ld e x p e c t , s in c e it is r e la t e d t o t h e t o t a l e m is s io n ( a t a n y f r e q u e n c y ) f r o m t h e e x c it e d t o t h e g r o u n d s t a t e .

T h u s w e h a v e s im p ly α ( t ) = e Γ t / 2 a n d t h e d e c a y p r o b a b ilit y P d = e Γ t .

.0

.8

.6

.4

.2

5

10

15

20

1

0

0

0

0

F i g . 2 3 : Lo r e n t z i a n l i n e s h a p e , c e n t e r e d a t ω = 1 2 a n d w i t h a l i n e w i d t h Γ = 2

F r o m t h e e x p r e s s io n f o r α ( t ) w e c a n g o b a c k a n d c a lc u la t e a n e x p lic it f o r m f o r β k ( t ) :

I t

i ( ω ν ) t

Γ t / 2 1 e i ( ω ν k ) t e Γ t / 2

β k ( t ) = i d t g k e

0

k e = g k

( ν k ω ) + i Γ / 2

T h e f r e q u e n c y s p e c t r u m o f t h e e m it t e d r a d ia t io n is g iv e n b y P ( ν k ) = ρ ( ν k ) L λ = 1 , 2 d | β k ( t ) | 2 in t h e lim it w h e r e

2

k

t . 1 + e Γ t ( 1 2 c o s [( ω ν ) t ] Γ 2

P ( ν k ) lim 1 / + ( ω ν k )

4

k

t Γ 2 + ( ω ν ) 2 4

T h u s t h e s p e c t r u m is a L o r e n z t ia n c e n t e r e d a r o u n d ω a n d w it h lin e w id t h Γ .

1 2 . 4 S c a t t e r i n g o f p h o t o n s b y a t o m s

In t h is s e c t io n w e w a n t t o s t u d y t h e s c a t t e r in g o f p h o t o n s b y e le c t r o n s ( e it h e r f r e e e le c t r o n s o r in a n a t o m ) . W e p r e v io u s ly s t u d ie d s im ila r p r o c e s s e s :

- S c a t t e r in g t h e o r y ( w it h a n e x a m p le f o r t h e r m a l n e u t r o n s )

- E m is s io n a n d a b s o r p t io n o f p h o t o n s ( in t h e d ip o le a p p r o x im a t io n )

N o t ic e t h a t t h e s e la s t p r o c e s s e s o n ly in v o lv e d a s in g le p h o t o n ( e it h e r a b s o r b e d o r e m it t e d ) . N o w w e w a n t t o s t u d y t h e s c a t t e r in g o f p h o t o n s , m e a n in g t h a t t h e r e w ill b e a n in c o m in g p h o t o n a n d a n o u t g o in g p h o t o n : t h is is a p r o c e s s t h a t in v o lv e s t w o p h o t o n s .

k '

|A f

|A i

k

F i g . 2 4 : P h o t o n s c a t t e r i n g c a r t o o n

In o r d e r t o s t u d y a t o m - p h o t o n in t e r a c t io n w e n e e d o f c o u r s e t o s t a r t f r o m t h e q u a n t iz e d e .m . fi e ld :

p ˜ 2 1 1 ( e A ) 2 1

H = 2 m + h ω ( n + 2 ) = 2 m p c

W e c a n s e p a r a t e t h e in t e r a c t io n H a m ilt o n ia n a s :

+ h ω ( n + )

2

p 2 1 e e 2 2

H = H 0 + V = 2 m + h ω ( n + 2 ) + 2 m c ( p · A + A · p ) + 2 m c 2 A

" H v V 0 J " v V V J

M o r e g e n e r a lly , if t h e r e a r e m a n y e le c t r o n s , t h e in t e r a c t io n H a m ilt o n ia n is g iv e n b y

V = 2 m c [ p i · A ( r i ) + A ( r i ) · p i ] + 2 m c 2 A ( r i )

i

Σ e e 2 2

m c

W e a lr e a d y u s e d t h e fi r s t t e r m ( in t h e d ip o le a p p r o x im a t io n e p · A d · E ) t o fi n d e m is s io n a n d a b s o r p t io n

p r o c e s s e s . A s s t a t e d , t h e s e p r o c e s s e s o n ly in v o lv e o n e p h o t o n . H o w d o w e o b t a in p r o c e s s e s t h a t in v o lv e t w o p h o t o n s ?

S in c e f r o m t h e t e r m p · A a n d in t h e fi r s t o r d e r p e r t u r b a t io n t h e o r y w e d o n o t g e t t h e m , w e w ill n e e d

i) e it h e r t e r m s A 2 , o r

ii) s e c o n d o r d e r p e r t u r b a t io n f o r t h e t e r m p · A .

k c

N o t ic e t h a t b o t h t h e s e c h o ic e s y ie ld t r a n s it io n s t h a t a r e α 2 = ( e 2 f 2 , t h a t is , t h a t a r e s e c o n d o r d e r in t h e fi n e

s t r u c t u r e c o n s t a n t .

k 1 2

T h u s w e w a n t t o c a lc u la t e s c a t t e r in g t r a n s it io n r a t e s g iv e n b y W = 2 π | K ( 2 ) + K ( 1 ) | 2 ρ ( E f ) , w h e r e

1

m c

i

K ( 2 ) is t h e 2 n d o r d e r c o n t r ib u t io n f r o m V 1 = e L p i · A i a n d

2 L 2

2

2

2 m c i

i

K ( 1 ) is t h e 1 s t o r d e r c o n t r ib u t io n f r o m V = e A .

1

K ( 1 ) is in s t e a d z e r o , s in c e it o n ly c o n n e c t s s t a t e t h a t d iff e r b y o n e p h o t o n ( t h u s it ’s n o t a s c a t t e r in g p r o c e s s ) a n d w e n e g le c t h ig h e r o r d e r s t h a n t h e s e c o n d .

T h e in it ia l a n d fi n a l e ig e n s t a t e s a n d e ig e n v a lu e s a r e a s f o llo w ( w h e r e γ in d ic a t e t h e p h o t o n ) :

In it ia l

e : | A i )

γ : | 1 k , λ , 0 k , λ )

t o t : | i )

F in a l

| A f )

| 0 k , λ , 1 k , λ )

| f )

In . E n e r g y F in . E n e r g y

ǫ i ǫ f

h ω k h ω k

E i E f

2

W e fi r s t e v a lu a t e K ( 1 ) f o r a s in g le e le c t r o n . W e r e c a ll t h e e x p r e s s io n f o r t h e v e c t o r p o t e n t ia l ( s e e S e c t io n 1 0 .3 ) :

A =

a k λ e + a k λ e

k ǫ k λ .

k Σ 2 π h c 2 ( i k · r i k · r f

k , λ

L 3 ω

k

2

K ( 1 ) is p r o p o r t io n a l t o A 2 , b u t w e o n ly r e t a in t e r m s t h a t lin k t h e c o r r e c t m o d e s ( k , k ) a n d t h a t a r e r e s p o n s ib le f o r t h e a n n ih ila t io n o f a p h o t o n in m o d e k a n d t h e c r e a t io n o f a p h o t o n o f m o d e k . T h e s e a r e t e r m s a k a k . W e fi n d :

( 1 ) e 2

2 π k c 2

k

k

k λ

k λ e

i ( k + k )

k λ

k λ e

K 2 = ( f | V 2 | i ) = 2 m c 2 L 3 ω ω k ǫ k λ · ǫ k k λ

k λ

k λ

k λ

k λ e

k )

× ( f | a a

e i ( k k ) · r + a a i ( k · r + a a

· r + a

a i ( k + k ) · r | i )

| |

W e n o w u s e t h e e q u a lit y ω k = c k a n d k k k k = k q = p k / h ( t h e e le c t r o n r e c o il m o m e n t u m ) t o s im p lif y t h e e x p r e s s io n . T h u s w e o b t a in :

K

( 1 )

2

e 2

=

2 m c

2 π h c 2

L

k k

3

k ǫ k λ · ǫ k k λ ( A f | e

i q · r

| A i ) ( 0 k λ 1 k λ | a k λ a k λ | 1 k λ 0 k λ ) ,

2

w h e r e t h e la s t in n e r p r o d u c t is j u s t e q u a l t o 1 . W e c a n n o w e x t e n d K ( 1 ) t o m a n y e le c t r o n s :

( 1 )

e 2 2 π h c

Σ i q · r

k k i

K 2 = ( f | V 2 | i ) = 2 m L 3 k ǫ k λ · ǫ k k λ ( A f | e

i | A i ) .

T h is is t h e fi r s t c o n t r ib u t io n t o t h e s c a t t e r in g m a t r ix e le m e n t , fi r s t o r d e r in p e r t u r b a t io n t h e o r y f r o m t h e q u a d r a t ic t e r m in t h e fi e ld p o t e n t ia l.

1

W e n o w w a n t t o c a lc u la t e K ( 2 ) , t h e s e c o n d o r d e r c o n t r ib u t io n f r o m t h e lin e a r p a r t V 1 o f t h e p o t e n t ia l:

K = Σ

( 2 ) ( f | V 1 | h ) ( h | V 1 | i )

h

1 E i E h

1

N o t e t h a t t h is t e r m d e s c r ib e s v ir t u a l t r a n s it io n s t o in t e r m e d ia t e s t a t e s s in c e f r o m fi r s t o r d e r t r a n s it io n s V 1 c a n o n ly c r e a t e o r a n n ih ila t e o n e p h o t o n a t a t im e . S o t h e r e a r e t w o p o s s ib le p r o c e s s e s t h a t c o n t r ib u t e t o K ( 2 ) ,

- fi r s t a b s o r p t io n o f o n e p h o t o n in t h e k λ m o d e f o llo w e d b y c r e a t io n o f o n e p h o t o n in t h e k λ m o d e : t h e in t e r m e d ia t e s t a t e is z e r o p h o t o n s in t h e s e t w o m o d e s .

- fi r s t c r e a t io n o f o n e p h o t o n in t h e k λ m o d e f o llo w e d b y a n n ih ila t io n o f t h e p h o t o n in m o d e k λ : t h e in t e r m e d ia t e s t a t e is o n e p h o t o n in e a c h m o d e .

E x p lic it ly w e h a v e :

1

ǫ i ǫ h + h ω k

K ( 2 ) = Σ ( A f | ( 0 k λ 1 k λ | V 1 | 0 k λ 0 k λ ) | A h ) ( A h | ( 0 k λ 0 k λ | V 1 | 1 k λ 0 k λ ) | A i )

h

ǫ i + h ω k ( ǫ h + h ω k + h ω k )

+ Σ ( A f | ( 0 k λ 1 k λ | V 1 | 1 k λ 1 k λ ) | A h ) ( A h | ( 1 k λ 1 k λ | V 1 | 1 k λ 0 k λ ) | A i )

h

1 2

1 2

N o t ic e t h a t K ( 2 ) h a s a n e x t r a f a c t o r ω k in t h e d e n o m in a t o r w it h r e s p e c t t o K ( 1 ) . T h u s a t h ig h e r e n e r g ie s o f t h e in c id e n t p h o t o n ( s u c h a s x - r a y s c a t t e r in g ) o n ly K ( 2 ) s u r v iv e s , w h ile a t lo w e r e n e r g ie s ( o p t ic a l r e g im e ) K ( 1 ) is m o r e

im p o r t a n t .

A . T y p e s o f S c a tte r i n g

D e p e n d in g o n t h e e n e r g y h ω o f t h e in c id e n t p h o t o n ( w it h r e s p e c t t o t h e io n iz a t io n e n e r g y E I o f t h e a t o m ) a n d o n t h e e la s t ic o r in e la s t ic c h a r a c t e r o f t h e s c a t t e r in g , t h e s c a t t e r in g p r o c e s s is d e s ig n a t e d w it h d iff e r e n t n a m e s .

| |

- R a y le ig h s c a t t e r in g ( L o w e n e r g y , E la s t ic ) : h ω E I , E h E I , E f = E I .

T h e fi n a l s t a t e h a s t h e s a m e e n e r g y a s t h e in it ia l o n e , E f = E i s in c e t h e s c a t t e r in g is e la s t ic . T h e s c a t t e r in g t h u s in v o lv e in t e r m e d ia t e v ir t u a l le v e ls , w it h e n e r g ie s E h . W e w ill fi n d a c r o s s s e c t io n σ ω 4 .

/

- R a m a n s c a t t e r in g ( L o w e n e r g y , In e la s t ic ) : h ω E I , E f = E I .

U s u a lly t h e fi n a l s t a t e is a d iff e r e n t r o t o v ib r a t io n a l s t a t e o f t h e m o le c u le , s o t h e e n e r g y d iff e r e n c e b e t w e e n in it ia l a n d fi n a l s t a t e is s m a ll. If E f > E I t h e s c a t t e r in g p r o c e s s is c a lle d S t o k e s , o t h e r w is e if E f < E I t h e s c a t t e r in g p r o c e s s is c a lle d a n t i - S t o k e s .

- T h o m s o n s c a t t e r in g ( H ig h e n e r g y , E la s t ic ) : h ω E I , E f = E I .

T h is p r o c e s s is p r e d o m in a n t f o r , e .g ., s o f t x - r a y s c a t t e r in g . T h is t y p e o f s c a t t e r in g c a n b e in t e r p r e t e d in a s e m c la s s ic a l w a y , in t h e lim it w h e r e t h e w a v e le n g t h λ is la r g e r t h a n t h e a t o m ic d im e n s io n s , λ a 0 . T h e c r o s s s e c t io n

is t h e n e q u iv a le n t t o w h a t o n e w o u ld o b t a in f o r a f r e e e le c t r o n , σ = 8 π r 2 w it h r 0 t h e e ff e c t iv e e le c t r o n r a d iu s .

3 0

- C o m p t o n s c a t t e r in g ( H ig h e n e r g y , In e la s t ic ) : h ω E I , λ a 0 , E f = E I .

F o r v e r y h ig h e n e r g y , t h e w a v e le n g t h is s m a ll c o m p a r e d t o t h e a t o m ’s s iz e a n d t h e e n e r g y is m u c h la r g e r t h a n t h e e le c t r o n b in d in g e n e r g y , s o t h a t t h e fi n a l s t a t e o f t h e e le c t r o n is a n u n b o u n d s t a t e . T h u s t h is s c a t t e r in g is v e r y s im ila r t o C o m p t o n s c a t t e r in g ( in e la s t ic s c a t t e r in g ) b y a f r e e e le c t r o n .

N o t e t h a t f o r x - r a y s c a t t e r in g s t h e c la s s ifi c a t io n is s lig h t ly d iff e r e n t t h a n t h e o n e g iv e n a b o v e . T h e r e a r e t w o p r o c e s s e s t h a t c o m p e t e s w it h C o u lo m b s c a t t e r in g e v e n a t t h e x - r a y e n e r g ie s :

- E le c t r o n ic R a m a n s c a t t e r in g : a n in e la s t ic s c a t t e r in g p r o c e s s w h e r e t h e in it ia l a t o m ic s t a t e is t h e g r o u n d s t a t e a n d t h e fi n a l s t a t e a n e x c it e d , d is c r e t e e le c t r o n ic s t a t e .

- R a y le ig h s c a t t e r in g f o r x - r a y s : a n e la s t ic s c a t t e r in g p r o c e s s , w h e r e t h e fi n a l a t o m ic s t a t e is t h e s a m e a s t h e in it ia l s t a t e , s in c e t h e r e is n o a t o m e x c it a t io n .

In a d d it io n t o s c a t t e r in g p r o c e s s e s , o t h e r p r o c e s s e s in v o lv in g t h e in t e r a c t io n o f a p h o t o n w it h e le c t r o n s a r e p o s s ib le ( b e s id e s a b s o r p t io n a n d e m is s io n o f v is ib le lig h t t h a t w e a lr e a d y s t u d ie d ) . In o r d e r o f in c r e a s in g p h o t o n e n e r g y , t h e in t e r a c t io n o f m a t t e r w it h e .m . r a d ia t io n c a n b e c la s s ifi e d a s :

R a y le ig h / R a m a n P h o t o e le c t r ic T h o m s o n C o m p t o n P a ir S c a t t e r in g A b s o r p t io n S c a t t e r in g S c a t t e r in g P r o d u c t io n

h ω < E I h ω E I h ω E I h ω m e c 2 h ω > 2 m e c 2 e V k e V k e V M e V M e V V is ib le X - r a y s X - r a y s γ - r a y s h a r d γ - r a y s

B . S e m i - c l a s s i c a l d e s c r i p ti o n o f s c a tte r i n g

A c la s s ic a l p ic t u r e is e n o u g h t o g iv e s o m e s c a lin g f o r t h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n . W e c o n s id e r t h e e ff e c t s o f t h e in t e r a c t io n o f t h e e .m . w a v e w it h a n o s c illa t in g d ip o le ( a s c r e a t e d b y a n a t o m ic e le c t r o n ) .

0

~

2

T h e e le c t r o n c a n b e s e e n a s b e in g a t t a c h e d t o t h e a t o m b y a s p r in g , a n d o s c illa t in g a r o u n d it s r e s t p o s it io n w it h f r e q u e n c y ω 0 . W h e n t h e e .m . is in c id e n t o n t h e e le c t r o n , it e x e r t s a n a d d it io n a l f o r c e . T h e f o r c e a c t in g o n t h e e le c t r o n is F = e E ( t ) , w it h E ( t ) = E 0 s in ( ω t ) t h e o s c illa t in g e le c t r ic fi e ld . T h is o s c illa t in g d r iv in g f o r c e is in a d d it io n t o t h e a t t r a c t io n o f t h e e le c t r o n t o t h e a t o m k x e , w h e r e k ( g iv e n b y t h e C o u lo m b in t e r a c t io n s t r e n g t h a n d r e la t e d t o t h e b in d in g e n e r g y E I ) is lin k e d t o t h e e le c t r o n ’s o s c illa t in g f r e q u e n c y b y ω 2 = k / m e . T h e e q u a t io n o f m o t io n f o r t h e e le c t r o n is t h e n e

m e x ¨ e = k x e e E ( t ) x ¨ e + ω x e = E ( t )

0 m e

W e s e e k a s o lu t io n o f t h e f o r m x e ( t ) = A s in ( ω t ) , t h e n w e h a v e t h e e q u a t io n

( ω 2 + ω 2 ) A = e E

1 e

0

A = E

0

0 m e 0

ω 2 ω 2 m e

A n a c c e le r a t e d c h a r g e ( o r a n o s c illa t in g d ip o le ) r a d ia t e s , w it h a p o w e r

2 e 2 2

P = 3 c 3 a

w h e r e t h e a c c e la r a t io n a is h e r e a = ω 2 A s in ( ω t ) , g iv in g a m e a n s q u a r e a c c e le r a t io n

( a 2 ) =

ω 2 e 2 1

0

)

(

E 0

T h e r a d ia t e d p o w e r is t h e n

ω 2 ω 2 m e 2

c E 2

1 e 2 2 ω 4

P =

0

2

3 m e c 2 ( ω 2 ω 2 ) 2 0

T h e r a d ia t io n in t e n s it y is g iv e n b y I 0 =

c E 2

0

~ ×

8 π

( r e c a ll t h a t t h e e .m . e n e r g y d e n s it y is g iv e n b y u =

1 E 2 a n d t h e

in t e n s it y , o r p o w e r p e r u n it a r e a , is t h e n I c u ) . T h e n w e c a n e x p r e s s t h e r a d ia t e d p o w e r a s c r o s s - s e c t io n r a d ia t io n

in t e n s it y :

P = σ I 0

T h is y ie ld s t h e c r o s s s e c t io n f o r t h e in t e r a c t io n o f e .m . r a d ia t io n w it h a t o m s :

8 π ( e 2

) 2 ( ω 2 ) 2

σ = 3 m c 2 ω 2 ω 2

e 0

o r in S I u n it s :

σ = = 4 π r 2

8 π ( e 2 ) 2 ( ω 2 ) 2 2 ( ω 2 ) 2

e

3 4 π ǫ 0 m e c 2 ω 2 ω 2 3 ω 2 ω 2

w h e r e w e u s e d t h e c la s s ic a l e le c t r o n r a d iu s 4 0 :

w h ic h is a b o u t 2 . 8 f m ( 2 . 8 × 1 0 1 5 m ) .

1 2 . 4 . 1 T h o m so n S c a t t e r i n g b y F r e e E l e c t r o n s

0 0

e 2 r e = m c 2

W e c o n s id e r fi r s t t h e T h o m s o n s c a t t e r in g , w h ic h is w e ll d e s c r ib e d b y t h e s c a t t e r in g b y f r e e e le c t r o n s . In t h is c a s e w e c o n s id e r t h u s o n e s in g le e le c t r o n . A ls o in g e n e r a l, t h e p h o t o n s h o u ld h a v e e n e r g y h ig h e n o u g h t h a t t h e e le c t r o n is s e e n a s f r e e e v e n if in r e a lit y it is p a r t o f a n a t o m ( t h u s t h e p h o t o n e n e r g y m u s t b e la r g e r t h a n t h e a t o m ’s io n iz a t io n e n e r g y , h ω E I o r in o t h e r t e r m s λ t h a n t h e a t o m ’s s iz e ) . N o t e t h a t in T h o m s o n s c a t t e r in g t h e fi n a l e le c t r o n is s t ill a b o u n d e le c t r o n ( e la s t ic s c a t t e r in g ) w h ile in C o m p t o n s c a t t e r in g t h e e le c t r o n is u n b o u n d ( in e la s t ic s c a t t e r in g ) . S t ill, s in c e t h e b in d in g e n e r g y is s m a ll c o m p a r e d t o t h e o t h e r e n e r g y a t p la y , t h e e le c t r o n c a n b e c o n s id e r e d a s a f r e e e le c t r o n , a n d m a n y o f t h e c h a r a c t e r is t ic s o f C o m p t o n s c a t t e r in g s t ill a p p ly .

In it ia l F in a l

e : | A i ) | A f )

ϕ : | 1 k , λ , 0 k , λ ) | 0 k , λ , 1 k , λ )

t o t : | i ) | f )

E n :

p x :

p y :

In it ia l

m c 2 + h c k h k

0

F in a l

= h c k + p c + m c

J

2 2

2 4

= h k c o s ϑ + p c o s ϕ

= h k s in ϑ p s in ϕ

e

4 0 T h e B o h r r a d i u s i s a d i ff e r e n t q u a n t i t y : r B r B 5 × 1 0 1 1 m

k 2

~ m e 2

w i t h s o m e c o n s t a n t s ( d e p e n d i n g o n t h e u n i t s c h o s e n ) t o g i v e a b o u t

T h e in it ia l a n d fi n a l s t a t e s , a s w e ll a s e n e r g ie s a n d m o m e n t u m a r e w r it t e n a b o v e . T h e y r e s u lt f r o m t h e c o n s e r v a t io n o f e n e r g y a n d m o m e n t u m f o r a r e la t iv is t ic e le c t r o n w h ic h is in it ia lly a t r e s t .

? Q u e s t i o n : W h a t i s t h e ra t i o k / k ? W h a t i s ∆λ = λ λ ? ( T h i s i s t h e u s u a l C o mp t o n s c a t t e ri n g f o r m u l a ) .

F ro m c o n s e rv a t i o n o f e n e rg y a n d mo me n t u m a n d w i t h t h e g e o me t r y o f fi g u r e 2 5 , w e c a n c a l c u l a t e t h e e n e rg y o f t h e s c a t t e re d

p h o t o n .

γ

e

E γ + E e = E + E h ω + m e c 2 = h ω + | p | 2 c 2 + m 2 c 4

h k = h k + p

h k = h k c o s ϑ + p c o s ϕ

{

h k s i n ϑ = p s i n ϕ

k

c 2

[ ]

F ro m t h e s e e q u a t i o n s w e fi n d p 2 = k ( ω ω ) h ( ω ω ) 2 m c 2 a n d c o s ϕ = 1 h 2 k 2 s i n 2 ϑ / p 2 . S o l v i n g f o r t h e c h a n g e i n t h e w a v e l e n g t h λ = 2 π w e fi n d ( w i t h ω = k c ) :

o r f o r t h e f re q u e n c y :

2 π h

e

∆λ = m c ( 1 c o s ϑ )

h ω = h ω 1 +

h ω m e c 2

( 1 c o s ϑ )

1

'

F i g . 2 5 : P h o t o n / E l e c t r o n c o l l i s i o n i n C o mp t o n a n d T h o m s o n s c a t t e r i n g .

1 2 2

A t t h e s e h ig h e n e r g ie s , K ( 2 ) K ( 1 ) t h u s w e c a n c o n s id e r o n ly t h e K ( 1 ) c o n t r ib u t io n , t h a t w e a lr e a d y c a lc u la t e d in

t h e p r e v io u s s e c t io n .

T o fi n d t h e s c a t t e r in g r a t e a n d c r o s s s e c t io n w e n e e d t h e de ns i t y o f s t a t e s :

( L )

3

ρ ( E f ) d E f = k 2 d k d

2 π

w h e r e t h e fi n a l e n e r g y is E f

= h c k + J p 2 c 2 + m 2 c 4 h c k + p 2 ( n o n - r e la t iv is t ic a p p r o x im a t io n ) . T h u s w e n e e d t o

d k

c a lc u la t e d E f . N o t in g t h a t

e 2 m

e

p 2 / h 2 = | k k | 2 = k 2 + k 2 2 k k c o s ϑ

w e fi n d

m c k

d E f

h 2

= h c +

2 k c o s ϑ ) = h c 1 + h k ( k )

( 2 k

d k 2 m

c o s ϑ

= 1 + m c ( 1 c o s ϑ )

S o lv in g t h e c o n s e r v a t io n o f e n e r g y a n d m o m e n t u m e q u a t io n s , w e fi n d

k h k

k

1

m c k m c

S in c e h k m c , w e c a n t a k e o n ly t h e fi r s t o r d e r t e r m in 1 + k k ( k c o s ϑ f . T h is is g iv e n b y : 1 + k k ( 1 c o s ϑ ) .

B u t t h is f a c t o r is j u s t e q u a l t o k / k . T h u s w e fi n a lly h a v e :

= h c

k

ρ ( E f ) =

d

2 π k c

d E f k ( L ) 3 k 3

d k

h

k

k

ε’ 1

θ

ε 2

ε 1

φ

ψ

ε’ 2

F i g . 2 6 : W a v e v e c t o r s a n d p o l a r i z a t i o n s o f s c a t t e r i n g p h o t o n s . c o s γ = s i n ϑ c o s ψ

F in a lly , t o c a lc u la t e t h e c r o s s s e c t io n , w e r e c a ll t h e e x p r e s s io n f o r t h e in c o m in g fl u x o f p h o t o n s Φ = c / L 3 .

d σ W f i / d

2 π ( 1 ) 2

ρ ( E f

) L 3

( e 2 ) 2 ( k ) 2

d = c / L 3

= h | K 2 |

=

d c

2

m c 2 k

| ǫ k λ · ǫ k λ |

W it h t h e a n g le s d e fi n e d in F ig . 2 6 w e fi n d :

= r 2 k

d σ ( ω ) 2

s in 2 γ

d e ω k

w h e r e ( s in γ ) 2 = 1 s in 2 ϑ c o s 2 ( ϕ ψ ) a n d r e is t h e c la s s ic a l e le c t r o n r a d iu s . T h e a v e r a g e d iff e r e n t ia l c r o s s s e c t io n ( a v e r a g e d o v e r t h e p o la r iz a t io n d ir e c t io n s ψ ) is t h e n g iv e n b y

= r 2 k

( 1 s in 2 ϑ / 2 ) = r 2 k

( 1 + c o s 2 ϑ )

d

e

ω k 2

e

ω k

d σ ( ω ) 2 1 ( ω ) 2

1 2 . 4 . 2 R a y l e i g h S c a t t e r i n g o f X - r a y s

1

R a y le ig h s c a t t e r in g u s u a lly d e s c r ib e s e la s t ic s c a t t e r in g b y lo w e n e r g y r a d ia t io n . It d e s c r ib e s f o r e x a m p le v is ib le lig h t s c a t t e r in g f r o m a t o m s : in t h a t c a s e , t h e p r e d o m in a n t c o n t r ib u t io n c o m e s f r o m t h e t e r m K ( 2 ) . R a y le ig h s c a t t e r in g a ls o d e s c r ib e s c o h e r e n t , e la s t ic s c a t t e r in g o f x - r a y s f r o m a t o m s ( e .g . in a c r y s t a l) a n d is a n im p o r t a n t p r o c e s s in x - r a y

d iff r a c t io n .

1 2 1

In t h e c a s e o f x - r a y s c a t t e r in g , t h e p h o t o n e n e r g y is la r g e r t h e n t h e e le c t r o n ic e x c it a t io n e n e r g y : h ω E b . T h e n w e h a v e , a s s t a t e d a b o v e , K ( 2 ) K ( 1 ) a n d w e c a n n e g le c t t h e K ( 2 ) c o n t r ib u t io n . A s w e a r e c o n s id e r in g n o w b o u n d

e le c t r o n s , t h e r e c o il is z e r o , a n d d E f = h c . T h e n t h e d e n s it y o f s t a t e s is s im p ly ρ ( E ) =

L 3 k 2 d .

T h e c r o s s s e c t io n is g iv e n b y

d k

f 2 π k c

2

=

d σ 2 π | K ( 1 ) | 2 ρ ( E f )

2 π c 2 r 2 ( 2 π h ) 2 1 ( L ) 3 k 2

| ǫ k λ · ǫ k λ | 2 | ( A f | Σ e i q · r i | A i ) | 2

e

=

d h c / L 3 d h c / L 3 L 3 k k 2 π h c

i

= r e

2 ( ω k )

ω

2 Σ i q · r i 2

| ǫ k λ · ǫ k λ | | ( A f | e

i

| A i ) |

C o n s id e r a n e la s t ic s c a t t e r in g p r o c e s s ( t h e in e la s t ic s c a t t e r in g is c a lle d R a m a n s c a t t e r in g f o r x - r a y s ) . If t h e in c o m in g x - r a y is u n p o la r iz e d , w e h a v e

=

e ( 1 + c o s 2 ϑ ) | ( g | e i q · r i | g ) | 2

d σ r 2 Σ

d 2

i

| ( | L | ) |

W e d e fi n e f ( p ) = ( g | L i e i q · r i | g ) t h e a t o m ic f o r m f a c t o r .

L L

1 ) N o t ic e t h a t f o r p 0 g i 1 g 2 = Z 2 ( t h e a t o m ic n u m b e r s q u a r e d ) . T h u s in g e n e r a l w e e x p e c t R a y le ig h s c a t t e r in g t o b e w e a k e r f o r lig h t e r e le m e n t s .

2 ) In g e n e r a l w e c a n r e w r it e t h e s u m a s a n in t e g r a l i e i q · r i e i q · r ρ ˜ ( r ) d 3 r u s in g t h e c h a r g e d e n s it y ρ ˜ ( r ) =

I I

i δ ( r r i ) . T h e n t h e a t o m ic f o r m f a c t o r t a k e s t h e f o r m :

f ( p ) = ( g | e i q · r ρ ˜ ( r ) d 3 r | g ) = e i q · r ρ ( r ) d 3 r

w it h ρ ( r ) = ( g | ρ ˜ ( r ) | g ) . T h e n t h e a t o m ic f o r m f a c t o r is t h e F o u r ie r t r a n s f o r m o f t h e c h a r g e d e n s it y .

S c a tte r i n g f r o m a c r y s ta l

In a c r y s t a l, w e c a n r e w r it e t h e e le c t r o n p o s it io n s w it h t h e s u b s t it u t io n r i R l + r li , w h e r e R l is t h e a t o m p o s it io n ( o r t h e n u c le u s p o s it io n o r t h e a t o m ic c e n t e r o f m a s s p o s it io n ) . T h e n w e n e e d t o s u m o v e r a ll a t o m s a n d a ll e le c t r o n s in t h e a t o m . T h e n w e h a v e t h e s t r u c t u r e f a c t o r :

l

G ( q ) = ( g | Σ e i q · R l e i q · r i l | g ) = Σ f ( q ) e i q · R l

In a c r y s t a l w e c a n r e w r it e t h e a t o m p o s it io n a s R lj = l 1 a 1 + l 2 a 2 + l 3 a 3 + r j . T h e n

w it h f l = ( g | L i e i q · r i l | g ) .

l, i l

" u n i v t V c e l l

J p o s i t " i o v n V J i n c e l l

G ( q ) = Σ f j ( q ) e i q · r j e i q ( l 1 a 1 + l 2 a 2 + l 3 a 3 ) = Σ F ( q ) e i q ( l 1 a 1 + l 2 a 2 + l 3 a 3 )

lj "

F v ( V q )

J l 1 , l 2 , l 3

F ( q ) is t h e f o r m f a c t o r f o r t h e u n it c e ll, w h ic h is t a b u la t e d f o r d iff e r e n t c r y s t a ls . T h e c r o s s s e c t io n c a n b e w r it t e n a s :

d σ r 2

s in 2 ( N 1 q a 1 / 2 ) s in 2 ( N 2 q a 2 / 2 ) s in 2 ( N 3 q a 3 / 2 )

| |

= e ( 1 + c o s 2 ϑ ) F ( q ) 2

d 2 s in 2 ( q a 1 / 2 ) s in 2 ( q a 2 / 2 ) s in 2 ( q a 3 / 2 )

O n ly w h e n q a n = 2 π h t h e in t e r f e r e n c e s t e r m s d o n o t v a n is h : t h is is B r a g g ’s d iff r a c t io n la w .

1 2 . 4 . 3 V i s i b l e L i g h t S c a t t e r i n g

·

W h e n c o n s id e r in g v is ib le lig h t , t h e w a v e le n g t h is la r g e c o m p a r e d t o t h e a t o m ic s iz e . T h e n , in s t e a d o f u s in g t h e f u ll in t e r a c t io n V 1 + V 2 w e c a n s a f e ly s u b s t it u t e it w it h t h e e le c t r ic d ip o le H a m ilt o n ia n 4 1 , V = d k E k . T h is H a m ilt o n ia n d o e s n o t p r o d u c e a n y t w o - p h o t o n p r o c e s s t o fi r s t o r d e r , s o in t h is c a s e w e n e e d t o c o n s id e r t h e t e r m K ( 2 ) . T h is t e r m in v o lv e s v ir t u a l t r a n s it io n s . S in c e t h e d u r a t io n o f t h e s e t r a n s it io n s is v e r y s m a ll, w e d o n o t h a v e t o w o r r y a b o u t c o n s e r v a t io n o f e n e r g y . R e c a ll:

E i E h

K ( 2 ) = Σ ( f | V | h ) ( h | V 1 | i ) ,

h

· | ) | ) | ) | ) | ) | )

w h e r e V = d k E k . T h e in t e r m e d ia t e s t a t e s a r e e it h e r h = A h 0 k λ 0 k λ o r h = A h 1 k λ 1 k λ . It w o u ld b e o f c o u r s e p o s s ib le t o d e r iv e t h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n f r o m t h e v e c t o r - p o t e n t ia l/ m o m e n t u m H a m ilt o n ia n , a n d in t h a t

c a s e b o t h t e r m s K ( 1 ) a n d K ( 2 ) s h o u ld b e in c lu d e d 4 2 .

2 1

T h e e le c t r ic fi e ld in t h e L o r e n t z g a u g e is

L 3

ξ

E = Σ J 2 π h ω ( a

ξ

e i · R + a e i · R f ǫ ξ ,

, ξ

a n d t h u s w e o b t a in f o r ( h | V 1 | i ) a n d ( f | V 1 | h ) :

- ( 0 k λ 1 k λ |

( a ξ e

i · R

+ a ξ e i · R f

| 0 k λ 0 k λ ) = e

i k · R

δ , k

- ( 0 k λ 0 k λ | ( a ξ e i · R + a ξ e i · R f | 1 k λ 0 k λ ) = e i k · R δ , k

- ( 0 k λ 1 k λ | ( a ξ e i · R + a ξ e i · R f | 1 k λ 1 k λ ) = e i k · R δ , k

- ( 1 k λ 1 k λ |

( a ξ e

i · R

+ a ξ e

i · R f

| 1 k λ 0 k λ ) = e

i k · R

δ , k

t h u s w e h a v e

K 1

=

( 2 )

2 π h i ( k k ) R Σ ( A f | d · ǫ k | A h ) ( A h | d · ǫ k | A i )

L

3

h

ǫ i ǫ h + h ω k

Σ ( A f | d · ǫ k | A h ) ( A h | d · ǫ k | A i )

h

ǫ i + h ω k ( ǫ h + h ω k + h ω k )

ω k ω k e +

T h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n is g iv e n a s u s u a l b y d σ = W 3 . a n d t h e d e n s it y o f s t a t e ( a s s u m in g n o r e c o il) is

d c /L

ρ ( E f ) =

d .

2 π c

( L ) 3 k 2

h

F in a lly t h e c r o s s s e c t io n is g iv e n b y :

) 2 (

) 3 2 3 Σ 2

d σ 2 π

2 π h

L k L

( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k ) ( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k )

(

d = h L 3

ω k ω k 2 π

h c c ǫ i

h

ǫ h

+ h ω k

+

ǫ i ǫ h

h ω k

d σ = k k 3

( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k ) + ( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k )

2

d ǫ i

h

ǫ h + h ω k ǫ i ǫ h h ω k

Σ

4 1 A u n i t a r y t r a n s f o r m a t i o n c h a n g e s t h e C o u l o m b - g a u g e H a mi l t o n i a n i n t o a n e x p a n s i o n i n t e r ms o f m u l t i p o l e s o f t h e e l e c t r o ­ ma g n e t i c fi e l d s . F o r a t o mi c i n t e ra c t i o n s , o n l y t h e e l e c t r i c d i p o l e i s k e p t , w h i l e h i g h e r m u l t i p o l e s , s u c h a s m a g n e t i c d i p o l e a n d e l e c t r i c q u a d r u p o l e , c a n b e n e g l e c t e d . T h i s u n i t a r y t r a n s f o r ma t i o n i s d e s c r i b e , e . g . , i n C o h e n - T a n n o u d j i s b o o k , A t o m- P h o t o n s I n t e r a c t i o n s

4 2 T h i s d e r i v a t i o n c a n b e f o u n d i n C h e n , S . H . ; K o t l a r c h y k , M . , I n t e r a c t i o n s o f Ph o t o n s a n d N e u t r o n s w i t h M a t t e r , ( 2 0 0 7 )

A . R a y l e i g h s c a tte r i n g

| ) | )

2

R a y le ig h s c a t t e r in g d e s c r ib e s e la s t ic s c a t t e r in g , f o r w h ic h ω k = ω k s in c e A f = A i . T h e n w e c a n s im p lif y t h e c r o s s s e c t io n :

d σ Σ ( d · ǫ ) ( d · ǫ ) ( d · ǫ ) ( d · ǫ )

= k 4

i h k

h i k +

i h k

h i k

d ǫ i

h

ǫ h + h ω k ǫ i ǫ h h ω k

A t lo n g w a v e le n g t h s h ω k ǫ h ǫ i , t h u s w e c a n n e g le c t ω k in t h e d e n o m in a t o r . T h e n

2

4

ω k 2

i h

k

h i

k

d σ Σ ( d · ǫ ) ( d · ǫ )

d

a n d s im p lif y in g w e o b t a in t h a t

h ǫ i ǫ h

d σ 4

d ω k

T h is e x p r e s s io n c o u ld h a v e b e e n f o u n d f r o m t h e c la s s ic a l c r o s s s e c t io n w e p r e s e n t e d e a r lie r , in t h e s a m e lim it ω ω 0 . T h e R a y le ig h s c a t t e r in g h a s a v e r y s t r o n g d e p e n d e n c e o n t h e w a v e le n g t h o f t h e e .m . w a v e . T h is is w h a t g iv e s t h e b lu e c o lo r t o t h e s k y ( a n d t h e r e d c o lo r t o t h e s u n s e t s ) : m o r e s c a t t e r in g o c c u r s f r o m h ig h e r f r e q u e n c ie s p h o t o n s ( w it h s h o r t e r w a v e le n g t h , t o w a r d t h e b lu e c o lo r ) .

A s lig h t m o v e s t h r o u g h t h e a t m o s p h e r e , m o s t o f t h e lo n g e r w a v e le n g t h s p a s s s t r a ig h t t h r o u g h . L it t le o f t h e r e d , o r a n g e a n d y e llo w lig h t is a ff e c t e d b y t h e a ir . H o w e v e r , m u c h o f t h e s h o r t e r w a v e le n g t h lig h t is s c a t t e r e d in d iff e r e n t d ir e c t io n s a ll a r o u n d t h e s k y . W h ic h e v e r d ir e c t io n o n e lo o k s , s o m e o f t h is s c a t t e r e d b lu e lig h t r e a c h e s y o u . S in c e t h e b lu e lig h t is s e e n f r o m e v e r y w h e r e o v e r h e a d , t h e s k y lo o k s b lu e .C lo s e r t o t h e h o r iz o n , t h e s k y a p p e a r s m u c h p a le r in c o lo r , s in c e t h e s c a t t e r e d b lu e lig h t m u s t p a s s t h r o u g h m o r e a ir . S o m e o f it g e t s s c a t t e r e d a w a y a g a in in o t h e r d ir e c t io n s a n d t h e c o lo r o f t h e s k y n e a r t h e h o r iz o n a p p e a r s p a le r o r w h it e . A s t h e s u n b e g in s t o s e t , t h e lig h t m u s t t r a v e l f a r t h e r t h r o u g h t h e a t m o s p h e r e . M o r e o f t h e lig h t is r e fl e c t e d a n d s c a t t e r e d a n d t h e s u n a p p e a r s le s s b r ig h t . T h e c o lo r o f t h e s u n it s e lf a p p e a r s t o c h a n g e , fi r s t t o o r a n g e a n d t h e n t o r e d . T h is is b e c a u s e e v e n m o r e o f t h e s h o r t w a v e le n g t h b lu e s a n d g r e e n s a r e n o w s c a t t e r e d a n d o n ly t h e lo n g e r w a v e le n g t h s a r e le f t in t h e d ir e c t b e a m t h a t r e a c h e s t h e e y e s . F in a lly , c lo u d s a p p e a r w h it e , s in c e t h e w a t e r d r o p le t s t h a t m a k e u p t h e c lo u d a r e m u c h la r g e r t h a n t h e m o le c u le s o f t h e a ir a n d t h e s c a t t e r in g f r o m t h e m is a lm o s t in d e p e n d e n t o f w a v e le n g t h in t h e v is ib le r a n g e .

B . R e s o n a n t S c a tte r i n g

1

A n in t e r e s t in g c a s e a r is e s w h e n t h e in c id e n t p h o t o n e n e r g y m a t c h e s t h e d iff e r e n c e in e n e r g y b e t w e e n t h e a t o m ’s in it ia l s t a t e a n d o n e o f t h e in t e r m e d ia t e le v e ls . T h is p h e n o m e n o n c a n o c c u r b o t h f o r e la s t ic o r in e la s t ic s c a t t e r in g ( R a y le ig h o r R a m a n ) . A s s u m e t h a t h ω k = ǫ h ǫ i f o r a p a r t ic u la r h in t h e s u m o v e r a ll p o s s ib le in t e r m e d ia t e le v e ls . T h e n , o n ly fi r s t t e r m im p o r t a n t in K ( 2 ) ( d e s c r ib in g fi r s t a b s o r p t io n a n d t h e n e m is s io n ) is im p o r t a n t . In o r d e r t o

k e e p t h is t e r m fi n it e , w e in t r o d u c e a fi n it e w id t h o f t h e le v e l, Γ . T h e c r o s s s e c t io n t h e n r e d u c e s t o :

2

d σ ( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k ) " | ( d f h · ǫ k ) ( d h i · ǫ k ) | #

d ǫ h ǫ i h ω k i h Γ / 2 k ω ǫ ǫ

( ǫ h ǫ i h ω k ) 2 + h 2 Γ 2 / 4

= k k 3 = k k 3

k

h

i k ω k ǫ h ǫ i

T h is c r o s s s e c t io n d e s c r ib e s R a m a n r e s o n a n c e a n d , f o r k = k r e s o n a n c e fl u o r e s c e n c e .

1 2 . 4 . 4 P h o t o e l e c t r i c E ff e c t

In t h is s e c t io n w e w a n t t o u s e s c a t t e r in g t h e o r y o f a p h o t o n f r o m e le c t r o n ( s ) in a n a t o m t o e x p la in t h e p h o t o e le c t r ic e ff e c t . W e c o n s id e r t h e c a s e o f a n h y d r o g e n - lik e a t o m w it h a t o m ic n u m b e r Z a n d w e c a lc u la t e t h e d iff e r e n t ia l c r o s s s e c t io n

d σ = W f i

d ω Φ i n c

w h e r e W f i is t h e t r a n s it io n r a t e f o r t h e s c a t t e r in g e v e n t a n d Φ i n c is t h e in c o m in g p h o t o n fl u x . T h e in c o m in g p h o t o n fl u x c a n b e c a lc u la t e d b y a s s u m in g ( f o r c o n v e n ie n c e ) t h a t t h e s y s t e m is e n c lo s e d in a c a v it y o f v o lu m e V = L 3 ( s o t h a t t h e r e ’s o n ly o n e p h o t o n in t h a t v o lu m e ) . T h e in c o m in g fl u x o f p h o t o n s in t h e c a v it y is g iv e n b y t h e n u m b e r o f p h o t o n s p e r u n it a r e a a n d t im e :

# p h o to n s 1 c Φ = ti m e · A r e a = L / c L 2 = L 3

w h e r e t h e a r e a is L 2 a n d t h e t im e t o c r o s s t h e c a v it y is t = L / c . T h e t r a n s it io n r a t e W f i is g iv e n b y F e r m i’s G o ld e n R u le , a s s u m in g a n a t o m - p h o t o n in t e r a c t io n V a n d a d e n s it y o f fi n a l s t a t e ρ ( E f ) :

f i

h

f

W = 2 π | ( f | V | i ) | 2 ρ ( E )

H e r e t h e fi n a l d e n s it y o f s t a t e s ρ ( E f ) is e x p r e s s e d in t e r m s o f t h e m o m e n t u m p o f t h e s c a t t e r e d e le c t r o n a n d t h e s o lid a n g le d w h e r e it is e j e c t e d . In d e e d , a s t h e p h o t o n is a b s o r b e d , t h e fi n a l d e n s it y o f s t a t e s is o n ly g iv e n b y t h e f r e e e le c t r o n , a g a in a s s u m e d t o b e e n c lo s e d in t h e v o lu m e V . T h e d e n s it y o f s t a t e s f o r t h e e le c t r o n is g iv e n b y t h e d e n s it y o f m o m e n t u m s t a t e s in t h e c a v it y L 3 a s s u m in g t h e e le c t r o n p r o p a g a t e s a s a p la n e w a v e :

ρ ( E f ) d E f = ρ ( p k ) d 3 p k =

p 2 d p d

( L ) 3

2 π h

w it h t h e ( n o n - r e la t iv is t ic ) e n e r g y f o r t h e e le c t r o n g iv e n b y E f = p 2 / ( 2 m ) g iv in g d E f = p d p / m . F in a lly

ρ ( E f ) =

m p d

( L ) 3

2 π h

W e n e x t w a n t t o c a lc u la t e t h e t r a n s it io n m a t r ix e le m e n t ( f | V | i ) , w h e r e V = e A k · p k . T h e r e le v a n t s t a t e s a r e

t h e p h o t o n s t a t e s 1 k λ ) a n d 0 k λ )

m c

a n d t h e e le c t r o n m o m e n t u m e ig e n s t a t e s , w h ic h i n t h e p o s it io n r e p r e s e n t a t io n a r e

( | ) ( | )

ψ i ( k r ) = k r i e a n d ψ f ( k r ) = k r f e .

T h e m a t r ix e le m e n t b e t w e e n t h e r e le v a n t s t a t e s is t h e n :

V i f = m c ( f e |

0 k λ L 3 ω

h , ξ

a h ξ e + a h ξ e ǫ h , ξ · p k 1 k λ

e ( Σ 2 π h c 2 h

h

i h · r i h · r i )

= Σ e J 2 π h

( f | ( ( 0

a 1 ) e i h · r + ( 0

a 1

| i e )

) e i h · r f ǫ

· p k | i )

h , ξ

T h e o n ly s u r v iv in g t e r m is

m L 3 ω h e

k λ

h ξ

k λ

k λ h ξ

k λ

h ξ e

i f

m L 3 ω k

V = e J 2 π h

e

k λ

( f | e i k · r ǫ

e

· k p | i )

T h e n t u r n in g t o t h e p o s it io n r e p r e s e n t a t io n o f | i e ) , | f e ) a n d o f t h e m o m e n t u m o p e r a t o r , w e c a n c a lc u la t e a n e x p lic it e x p r e s s io n . U s in g ψ i ( k r ) = ( k r | i e ) , ψ f ( k r ) = ( k r | f e ) a n d ǫ k λ · p k = ǫ k λ · ( i h ) , w e h a v e :

( f | e i k · r ǫ

· p k | i ) = I

d 3 k r ψ ( k r ) e i k · r ǫ

· ( i h ψ ( k r ) )

F in a lly

e k λ e f V

k λ i

m L 3 ω k

V

( f | V | i ) = e J 2 π h I

d 3 k r ψ ( k r ) e i k · r ǫ

i

· ( i h ψ ( k r ) )

f

k λ

T h e fi n a l w a v e f u n c t io n ψ f is j u s t a p la n e w a v e w it h m o m e n t u m k q = p k / h ( in t h e v o lu m e L 3 ) . T h e in it ia l w a v e f u n c t io n is in s t e a d a b o u n d s t a t e . Y o u s h o u ld h a v e s e e n t h a t f o r a n h y d r o g e n - lik e a t o m t h e w a v e f u n c t io n is g iv e n b y

e | r | / a 2 2

ψ i ( k r ) = π a 3 , w h e r e a is t h e B o h r r a d iu s s c a le d b y t h e a t o m ic n u m b e r Z ( a = h / ( m e Z ) ) . R e p la c in g t h e e x p lic it e x p r e s s io n s f o r ψ i a n d ψ f in t h e p r e v io u s r e s u lt w e o b t a in :

m L 3 ω

1 I

( f | V | i ) = e J 2 π h

d 3 k r e

i ( k q ) · r

k ǫ k λ · i h

( e | r | /a )

k L 3 V π a 3

V k λ

W e n o w d e fi n e k k = k k q k a n d e v a lu a t e t h e in t e g r a l: d 3 k r e i k · r k ǫ · ψ i b y p a r t s :

I d 3

k r e

i k · r k ǫ · ψ = e

i k · r

ψ i | L 3 i k k · k ǫ k λ I

d 3 k r e

i k · r

ψ i ( k r )

k λ i

V V

k λ

N o t ic e t h a t t h e w a v e f u n c t io n v a n is h e s a t t h e b o u n d a r ie s , s o t h e fi r s t t e r m is z e r o . A ls o , b y d e fi n in g ϑ t h e a n g le b e t w e e n k a n d r w e c a n r e w r it e t h e in t e g r a l a s :

k I 2 I π i k r c o s ( ϑ )

k k · k ǫ I

i 2 π k · k ǫ k λ d r r ψ i ( r ) e

0

s in ( ϑ ) d ϑ = i

| k k |

d r ψ i ( r ) r s in ( k r )

J I

T o e v a lu a t e t h is la s t in t e g r a l, w e c a n e x t e n d t h e in t e r v a l o f in t e g r a t io n t o in fi n it y , u n d e r t h e a s s u m p t io n t h a t L a :

( f | V | i ) =

e 2 π h ( i h ) ( i k k · k ǫ k λ ) π a 3 e r /a r s in ( k r ) d r m L 3 ω k | k k | 0

a n d u s e t h e e q u iv a le n c e d r e r /a r s in ( b r ) =

2 a 3 b

t o o b t a in :

·

0 ( 1 + a 2 b 2 ) 2

e 2 π h 2 h a 3 k k k ǫ a 3

m L 3 ω k ( 1 + a 2 k 2 ) 2

· · · ·

N o t ic e t h a t k k k ǫ k = k k k ǫ k k q k ǫ k = q k k ǫ k s in c e k k a n d t h e p o la r iz a t io n a r e a lw a y s p e r p e n d ic u la r .

N o w c o n s id e r in g t h e d e n s it y o f s t a t e s a n d t h e in c o m in g fl u x o f p h o t o n s Φ i n c = c / L 3 w e o b t a in t h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n :

d = m c ω ( 1 + a 2 k 2 ) 4

d σ 3 2 e 2 a 3 q ( k q · k ǫ k ) 2

k

W h e n t h e e n e r g y o f t h e in c o m in g p h o t o n is m u c h h ig h e r t h a n t h e e le c t r o n b in d in g e n e r g y , w e h a v e a k 1 . In t h is lim it , w e c a n r e w r it e t h e s c a t t e r in g c r o s s s e c t io n a s

d = m c ω ( a 2 k 2 ) 4 a 8 a

d σ 3 2 e 2 a 3 q ( q k · k ǫ k ) 2 a 3 5

k

N o w t h e c o n s t a n t a is t h e B o h r r a d iu s s c a le d b y t h e a t o m ic n u m b e r Z

h 2

a = m e 2 Z

w e t h u s fi n d t h e w e ll- k n o w n Z 5 d e p e n d e n c e o f t h e p h o t o e le c t r ic e ff e c t c r o s s - s e c t io n .

MIT OpenCourseWare http://ocw.mit.edu

22.51 Quantum Theory of Radiation Interactions

Fall 201 2

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