Na podstawie wstępu do rozprawy doktorskiej A.Andrejczuka
"Badanie Profili Komptonowskich Metali Przejściowych i ich Stopów"
Białystok 1997

Spektroskopia komptonowska jest metodą badawczą pozwalającą na wyznaczenie rozkładu gęstości pędów elektronów w badanych materiałach, a ściślej biorąc rzutu tego rozkładu na wybrany kierunek, nazywanego profilem komptonowskim. W pomiarach wykorzystuje się zjawisko nieelastycznego (komptonowskiego) rozpraszania wysokoenergetycznego promieniowania elektromagnetycznego (X, g ) na elektronach próbki. Ponieważ rozkład gęstości pędów elektronów jest bezpośrednio związany z kwantowo-mechaniczną strukturą materii, wyniki doświadczalne, dotyczące rozkładu gęstości elektronów w przestrzeni pędów, niosą w sobie bardzo podstawową i ważną informację o mikroskopowej strukturze i własnościach materii skondensowanej. Oprócz spektrometrii komptonowskiej znane są dwie inne techniki eksperymentalne pozwalające na badanie rozkładu gęstości elektronów w przestrzeni pędów, a mianowicie metoda anihilacji pozytonów (Angular Correlation of Annihilation Radiation, ACAR) oraz metoda nieelastycznego rozpraszania elektronów (e, 2e) (Electron Momentum Spectroscopy, EMS). Pierwsza z tych metod charakteryzuje się bardzo dobrą zdolnością rozdzielczą w skali pędu. Chociaż oddziaływanie pozytonu z siecią krystaliczną przed anihilacją utrudnia interpretację danych, to jednak jak pokazują doświadczenia, ACAR znakomicie nadaje się do badań kształtu powierzchni Fermiego. Metoda nieelastycznego rozpraszania elektronów ze względu na silną absorpcję oraz efekty wielokrotnych rozpraszań ograniczona jest do pierwiastków lekkich lub w stanie gazowym chociaż możliwości tej metody stale rosną. Porównanie wymienionych technik eksperymentalnych ze spektrometrią komptonowską Czytelnik może znaleźć w książce Wiliamsa "Compton Scattering" [1] zaś bardziej aktualny przegląd osiągnięć w tych dziedzinach można znaleźć np. w pracach Petera [2] oraz Westa [3] jeśli chodzi o anihilację pozytonów oraz w pracach McCarthyego i Weigolda [4 i 5] i Coplana [6] dotyczących rozpraszania elektronów.

Swoją nazwę spektrometria komptonowska zawdzięcza odkrywcy zjawiska nieelastycznego rozpraszania kwantów promieniowania elektromagnetycznego na elektronach, Arthura Comptona. Compton w 1923 roku jako pierwszy podał właściwą interpretację faktu polegającego na tym, że w widmie promieniowania X rozpraszanego na materii oprócz linii promieniowania rozproszonego elastycznie występuje dodatkowa linia o zwiększonej długości fali, której długość wzrasta wraz z kątem rozpraszania. To, że do wyjaśnienia tego zjawiska konieczne było założenie kwantowej natury promieniowania był poważnym potwierdzeniem kwantowych hipotez i było znacznym krokiem w rozwoju mechaniki kwantowej. Wkrótce po wyjaśnieniu istoty zjawiska zauważono, że energetyczne widmo promieniowania rozproszonego nieelastycznie wyraźnie zależy od rodzaju materiału rozpraszającego, a ściślej rzecz biorąc zależy od rozkładu gęstości pędów elektronów w atomach próbki. Pierwsze doświadczalne rozkłady gęstości pędów uzyskane z analizy promieniowania rozproszonego komptonowsko były zgodne z teoretycznymi przewidywaniami. Godny odnotowania jest fakt, że otrzymane w 1929 roku przez DuMonda i Kirkpatrika dane dla berylu były znakomitym potwierdzeniem, że swobodne elektrony w metalu rzeczywiście podlegają statystyce Fermiego-Diraca. W 1936 Kappeler, używając nowego spektrometru, zmierzył profile dla neonu, azotu, tlenu oraz węgla które zgadzały się z ówczesnymi danymi teoretycznymi. Jednak dane zebrane dla litu na tym samym spektrometrze znacznie odbiegały od danych teoretycznych. Ta niezgodność doświadczania i teorii utrzymywała się przez wiele lat podczas których brak było prac doświadczalnych w tej dziedzinie. Dopiero w 1965 roku Weiss, Cooper i niezależnie Leake ponownie zmierzyli profil komptonowski dla litu uzyskując tym razem dobrą zgodność z teorią. Od tego momentu rozpoczęły się systematyczne badania następnych pierwiastków i szybki postęp w tej technice doświadczalnej. Niewątpliwie jedną z przyczyn rozwoju tej dziedziny badań był równoległy postęp w technice spektrometrycznej a w szczególności pojawienie się krystalicznych półprzewodnikowych detektorów promieniowania g . Dzięki tym detektorom oraz wykorzystaniu izotopowych źródeł promieniowania czasy pomiaru profili komptonowskich znacznie się skróciły i pomimo gorszej zdolności rozdzielczej w skali pędu w porównaniu ze spektrometrią promieniowania X pozwoliły na zebranie bogatego materiału doświadczalnego i systematyczne porównanie go z teorią.

Na początku lat 80-tych do badań profili komptonowskich zaczęto wykorzystywać promieniowanie synchrotronowe. Technika ta rozwija się do chwili obecnej. Duże natężenie promieniowania oraz nowe wydajne techniki detekcji promieniowania X pozwalają na pomiary z bardzo dobrą zdolnością rozdzielczą w krótkim czasie. Umożliwia to pomiary wielu profili komptonowskich dla różnych kierunków krystalograficznych tej samej próbki i rekonstrukcję trójwymiarowej gęstości pędów elektronów w badanym krysztale. Trójwymiarowa gęstość pędów elektronów może być wyznaczona bezpośrednio z eksperymentu, w którym oprócz analizy energii promieniowania ( rozproszonego na próbce pod ustalonym kątem rejestruje się w koincydencji rozproszone elektrony (g , eg ). Chociaż w pierwszych eksperymentach tego typu [7, 8] częstotliwości koincydencji były zbyt małe aby można było uzyskać wystarczającą statystykę, to obecnie osiągane duże natężenie promieniowania synchrotronowego o wysokiej energii otwiera realne możliwości pomiaru [np. 9]. Także dzięki dużemu natężeniu oraz możliwości uzyskania wysokiego stopnia kołowej polaryzacji promieniowania synchrotronowego rozwinęła się w ostatnich latach nowa technika badań komptonowskich, tzw. magnetyczna spektroskopia komptonowska. Technika ta posiada unikalne możliwości badania rozkładu gęstości niesparowanych spinów elektronów w przestrzeni pędu. Zainteresowanych odsyłamy do monografii E.Żukowskiego [10].

Czytelnika zainteresowanego głębszym poznaniem historii spektrometrii komptonowskiej oraz jej wczesnych osiągnięć odsyłamy do starszych prac przeglądowych Coopera [11, 12], Żurka [13] oraz książki Wiliamsa [1]. Bardziej aktualny przegląd osiągnięć w tej dziedzinie można znaleźć w pracach Coopera [14], Schülkego [15] oraz Dobrzyńskiego [16].

P.S. W literaturze polskiej (Postępy Fizyki, 29, zeszyt 6, (1978) 653) można spotkać się z krytyką nazywania rozpraszania komptonowskiego rozpraszaniem nieelastycznym, która to nazwa może sugerować że energia w trakcie tego procesu nie jest zachowana. Wiekszość autorów jednak skorzysta z możliwości użycia nazwy "rozpraszanie nieelastyczne" dla określenia procesu komptonowskiego rozpraszania uważając, że nazwa ta podkreśla zmianę energii fotonu podczas rozpraszania i jest jedynie używana dla odróżnienia tego procesu od procesu elastycznego zachodzącego bez zmiany energii. Podobna nomenklatura jest powszechnie stosowana również w innych procesach rozpraszania, np. neutronów czy elektronów.