Рассеяние электрона на электроне

Рассмотрим в качестве примера рассеяние электрона на электроне. На рисунке 5.10. показана обобщенная диаграмма этого процесса, которая может быть представлена как сумма диаграмм с разным количеством вершин. Каждая вершина характеризуется константой электромагнитного взаимодействия α ≈ 1/137, а вероятность процесса пропорциональна степени константы взаимодействия, где в показателе фигурирует число вершин. Поэтому вклад первой из диаграмм в правой части рис.5.10. в вероятность рассеяния пропорционален величине ²  (1/137)², вторая из диаграмм дает вклад, пропорциональный ⁴  (1/137)⁴. Поэтому вклад многовершинных диаграмм в общий результат относительно мал. Количество диаграмм, отражающих способы взаимодействия частиц, которое необходимо учитывать, определяется необходимой точностью расчетов.

Рассеяние фотона на электроне

На рис. 5.11. изображена диаграмма Фейнмана для рассеяния фотона на электроне. Путь электрона обозначен прямой стрелкой, путь фотона – волнистой линией. Нижняя точка пересечения обозначает поглощение электрона фотоном, после чего через некоторое время он излучает новый фотон. Таким образом, в начале процесса имеется фотон и электрон, и в конце процесса также имеется фотон и электрон.

Поглощение и испускание фотона заряженными частицами отражает суть механизма электромагнитного взаимодействия. Электрон может испускать фотоны спонтанно, тут же поглощая их. Поскольку в отличие от обычных фотонов такие фотоны существуют недолгое время, они носят название виртуальных фотонов.

При движении электрона в атоме вокруг ядра он постоянно обменивается с ядром фотонами. Фотоны, испускаемые электроном, формируют его собственное электрическое поле, которая представлено как «шуба» виртуальных фотонов. «Шуба» не является чем-то застывшим – образующие ее кванты регулярно рождаются и поглощаются. Толщина «шубы» зависит от энергии поля, «шуба» пульсирует, то есть несущая ее частица проводит часть времени в облаченном, а часть – в голом состоянии. Электрическое поле частицы оказывает влияние на окружающий вакуум и стимулирует образование виртуальных пар частица-античастица. Это явление носит название поляризации вакуума. Электрон в вакууме притягивает виртуальные позитроны и отталкивает виртуальные электроны, электрон оказывается окруженным слоем позитронов из виртуальных пар, так что эффективный заряд электрона существенно изменяется. Возникает экранировка заряда, то есть его эффективное уменьшение.

е^– е^– е^–

\ | /

е⁺ е⁺ е⁺

е^– - е⁺ е^– е^– - е⁺

е⁺ е⁺ е⁺

/ | \

е^– е^– е^–

Рассеяние фотона на фотоне

В классической электродинамике электромагнитные волны рассматриваются как невзаимодействующие. В квантовой теории поля могут образовываться виртуальные электрон-позитронные пары, т. е. свет может рассеиваться на свете. Диаграмма на рис. 5.12. соответствует процессу взаимодействия фотонов посредством образования промежуточной электрон-позитронной пары. В начальном состоянии имеется два фотона. Один из них в точке 1 исчезает, образовав электрон-позитронную пару. В точке 2 второй фотон поглощается позитроном. Затем появляются конечные фотоны: один из них рождается в точке 4 виртуальным электроном, а другой возникает в результате аннигиляции пары в точке 3.