Sironta

Lasersäteilyn diffraktiokuvio kahdesta (yllä) ja viidestä (alla) raosta.

Viinilasi videoprojektorin valokeilassa saa valon siroamaan.

Sironta on fysikaalinen prosessi, missä säteily, esimerkiksi valo tai liikkuva hiukkanen, muuttaa suuntaansa kohdatessaan esteen tai tiheyden muutoksen aineessa, jossa se kulkee. Sirota voi myös mekaaninen aaltoliike, kuten fononit ja yleisemmin ääni. Sironnan voimakkuus ja suunta riippuvat muun muassa säteilyn aallonpituudesta ja polarisaatiosta ja sirottavan kappaleen muodosta ja koosta. Järjestäytyneestä rakenteesta, esimerkiksi kiteisestä mineraalista, tapahtuvaa sirontaa kutsutaan diffraktioksi.

Sironta voi tapahtua hyvin erilaisista esteistä tai tiheysvaihteluista, esimerkiksi raosta, kuplasta liuoksessa, atomista, molekyylistä, alkeishiukkasesta tai kolloidista. Säteilyn ja liikkuvien hiukkasten sironta on siis merkittävä ilmiö kaikilla fysiikan aloilla aina hiukkasfysiikasta tiiviin aineen fysiikkaan, ilmakehätieteissä ja tähtitieteessä. Sirontaa käytetään myös materiaalien tutkimukseen, sillä sironnan voimakkuus ja suunta kertovat materiaalin rakenteesta.

Sirontaa sanotaan elastiseksi sironnaksi, jos säteilyn energia ei muutu prosessissa ja epäelastiseksi sironnaksi, jos energia muuttuu. Käytännössä mikään sirontatapahtuma ei voi olla täysin elastinen. Elastiseksi sironnaksi sanotaan kuitenkin sirontaa, jossa tilanteeseen tulleen säteilyn energian muutos on niin pieni, ettei sitä kokeellisesti tavallisesti havaita ellei tarkoitus nimenomaan ole mitata tuota eroa. Elastista sirontaa on muun muassa diffraktio ja epäelastista Comptonin sironta.

Sirontatapahtumat voidaan myös jakaa koherenttiin ja epäkoherenttiin sirontaan. Koherentilla sironnalla tarkoitetaan kaikkia niitä sirontailmiöitä, joissa havaitaan säteilyn interferenssiä. Interferenssi ilmenee voimakkaina maksimeina diffraktiokuviossa. Epäkoherentissa sironnassa jokainen sirottava yksikkö sirottaa säteilyä yksinään muista riippumatta ja interferenssiä ei synny. Epäelastinen sironta on useissa tapauksissa epäkoherenttia ja elastinen sironta koherenttia. Ei kuitenkaan aina.

Matemaattinen esitys

Sirontateoria on se matemaattinen välineistö, jolla pyritään ymmärtämään hiukkasten ja säteilyn siroamista.

Symmetrinen diffraktio pinnasta.

Sironnan esittäminen piirroksin onnistuu muun muassa vektorikuvan avulla. Sironnassa sirottavaan kohteeseen tulevan säteilyn liikemäärää kuvaavaa aaltovektoria merkitään yleensä vektorilla k ja vastaavasti siitä lähtevän k'. Näiden erotusta eli liikemäärän muutosta eli sirontavektoria merkitään

K = k' – k.

Aaltovektorin suuruus riippuu käänteisesti säteilyn aallonpituudesta. Sirontavektorin symboli riippuu asiayhteydestä ja se saatetaan määritellä hieman eri tavoin eri aloilla. Sirontavektorin yleisimmät symbolit ovat K:n lisäksi q, k, G ja s.

Sironnan matemaattinen käsittely on yleensä hankalaa ellei tehdä joitain yksinkertaistuksia. Tästä syystä sironnan matemaattiset esitykset on nimetty eri tavoin riippuen muun muassa niissä tehdyistä yksinkertaistuksista eli approksimaatioista.

Elastinen sironta

Rayleigh'n sironnassa sirottavan partikkelin koon oletetaan olevan paljon pienempi kuin säteilyn aallonpituus. Rayleigh'n sironnan perusajatuksena on hiukkasen varausjakauman oskillointi siihen vaikuttavan sähkömagneettisen säteilyn sähkökentän vaikutuksesta. Thomsonin sironnaksi kutsutaan vastaavaa elastista sirontaa vapaista elektroneista.

Laajempi approksimaatioista vapaa esitys on pallon muotoisille sirottaville kappaleille pätevä Mien teoria tai Mien sironta, missä säteilyn aallonpituudelle ja partikkelin koolle ei ole asetettu rajoituksia. Mien teoria on Maxwellin yhtälöiden analyyttinen ratkaisu sähkömagneettisen säteilyn vuorovaikutuksesta pallon muotoisen kappaleen kanssa. Mien teoria on laajennettu koskemaan myös ellipsoideja. Toisin kuin Rayleigh'n approksimaatiossa Mien ratkaisussa aineen taitekerroin voi olla kompleksiluku. Mien sirontaa käytetään esimerkiksi laskettaessa näkyvän valon sirontaa ilmakehän vesipisaroista, kun taas Rayleigh'n sironta on riittävä approksimaatio näkyvän valon sironnalle molekyyleistä.

Epäelastinen sironta

Epäelastista sirontaa voi tapahtua useilla eri tavoilla, joita ovat muun muassa Ramanin sironta, Comptonin sironta ja Brillouinin sironta. Epäelastinen sironta on useilla säteilylajeilla huomattavasti epätodennäköisempi vuorovaikutustapa kuin elastinen sironta.

Historia

Sironta on ollut tärkeä osa modernin fysiikan syntyä. Comptonin sironta oli osoitus valosähköisen ilmiön lisäksi valon luonteen kaksijakoisuudesta. Vaikka säteily käyttäytyi diffraktiossa kuin aaltoliike, Arthur Comptonin 1922 havaitsema epäelastinen sironta osoitti kuitenkin, että valo käyttäytyi myös kuin hiukkanen.

Aineen rakenteen tutkimus atomitasolla oli mahdollista kokeellisesti vasta röntgendiffraktion keksimisen jälkeen 1910-luvulla. Ennen atomivoimamikroskoopin keksimistä 1986 rakennetutkimus nojasi täysin sirontamenetelmiin. Sirontamenetelmät ovat epäsuoria menetelmiä siinä missä atomivoimamikroskooppi antaa kuvan rakenteesta samalla tavalla kuin valokuvaus. Yhä edelleen röntgendiffraktio ja elektronidiffraktio ovat tärkeitä menetelmiä erityisesti biologisten molekyylien tutkimuksen apuvälineinä.

Sirontamenetelmiä

Kappaleesta tai tiheysjakaumasta elastisesti sironneen säteilyn intensiteetti ja sirontakulma kertovat kappaleen tai tiheysjakauman muodosta. Tätä käytetään hyväksi monissa menetelmissä, joilla tutkitaan aineen rakennetta. Epäelastisesti siroavan säteilyn energiaa tutkimalla saadaan tietoa aineen elektronien energiatiloista. Ainakin seuraavat säteilylajien mukaan jaotellut menetelmät pohjautuvat sirontakuvioiden tulkintaan tai epäelastisesti sironneen säteilyn energian havainnointiin.

Näkyvä valo	Röntgensäteily	Neutronit	Elektronit
diffraktio valonsironta Ramanin sironta	röntgendiffraktio pienkulmaröntgensironta epäelastinen röntgensironta	neutronidiffraktio pienkulmaneutronisironta neutronispektroskopia	elektronidiffraktio

Lähteet

Röntgensäteilyn sirontateoria

• L. V. Azároff & R. Kaplow & N. Kato & R. J. Weiss & A. J. C. Wilson & R. A. Young: X-ray diffraction. McGraw-Hill, 1974.
• Guinier, André: X-ray diffraction: In crystals, imperfect crystals, and amorphous bodies. Courier Dover Publications, 1994. ISBN 0-486-68011-8

Sironta tiiviin aineen fysiikassa

• Kittel, Charles: Introduction to solid state physics. John Wiley & Sons, New York, 1968.

Sironta ilmakehässä

• Kyle, Thomas G.: Atmospheric transmission, emission and scattering. Pergamon Press, Oxford, 1991.