Излучение

ИЗЛУЧЕНИЕ электромагнитное,

1) в классической электродинамике - процесс образования свободного электромагнитного поля, происходящий при взаимодействии электрически заряженных частиц (или их систем); в квантовой теории - процесс рождения (испускания) фотонов при изменении состояния квантовой системы;

2) свободное электромагнитное поле - электромагнитные волны.

Основы классической теории излучения - электродинамики - заложены в 1-й половине 19 века в работах М. Фарадея и Дж. К. Максвелла, который развил идеи Фарадея, придав законам излучения строгую математическую форму. Из Максвелла уравнений следовало, что электромагнитные волны в вакууме в любой системе отсчёта распространяются с одной скоростью - со скоростью света с = 3·10⁸ м/с. Теория Максвелла объяснила многие физические явления, объединила оптические, электрические и магнитные явления, стала основой электротехники и радиотехники, но ряд явлений (например, спектры атомов и молекул) удалось объяснить только после создания квантовой теории излучения, основы которой заложили М. Плат, А. Эйнштейн, Н. Бор, П. Дирак и др. Полное обоснование теория излучения получила в квантовой электродинамике, которая была завершена в 1950-х годах в работах Р. Ф. Фейнмана, Дж. Швингера, Ф. Дайсона и др.

Характеристики процесса излучения и свободного электромагнитного поля (интенсивность излучения, спектр излучения, распределение в нём энергии, плотность потока энергии излучения и др.) зависят от свойств излучающей заряженной частицы (или системы частиц) и условий взаимодействия её с электрическими и/или магнитными полями, приводящего к излучению. Так, при прохождении заряженной частицы в веществе в результате взаимодействия с атомами вещества скорость частицы изменяется и она испускает так называемое тормозное излучение (смотри ниже). Свободное электромагнитное поле в зависимости от диапазона длин волн λ называют радиоизлучением (смотри Радиоволны), инфракрасным излучением, оптическим излучением, ультрафиолетовым излучением, рентгеновским излучением, гамма-излучением.

Электромагнитное поле равномерно и прямолинейно движущейся в вакууме заряженной частицы на далёких от неё расстояниях пренебрежимо мало, и можно сказать, что увлекаемое ею поле движется вместе с ней с той же скоростью. Свойства такого собственного поля заряженной частицы зависят от величины и направления её скорости и не меняются, если она постоянна; такая частица не излучает. Если скорость заряженной частицы изменилась (например, при столкновении с другой частицей), то собственное поле до и после изменения скорости различно - при изменении скорости собственное поле перестраивается так, что часть его отрывается и уже не связана с заряженной частицей - становится свободным полем. Т.о., образование электромагнитных волн происходит при изменении скорости заряженной частицы; причины изменения скорости разнообразны, в соответствии с этим возникают различные типы излучения (тормозное, магнитотормозное и т. п.). Излучение системы частиц зависит от её структуры; оно может быть аналогично излучению частицы, представлять собой излучения диполя (дипольное излучение) или мультиполя (мультипольное излучение).

При аннигиляции электрона и позитрона (смотри Аннигиляция и рождение пар) также образуется свободное электромагнитное поле (фотоны). Энергия и импульс аннигилирующих частиц сохраняются, т. е. передаются электромагнитному полю. Это означает, что поле излучения всегда обладает энергией и импульсом.

Образовавшиеся в процессе излучения электромагнитные волны образуют поток уходящей от источника энергии, плотность которого S(r,t) (Пойнтинга вектор - энергия, протекающая за единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную потоку) в момент времени t на расстоянии r от излучающей заряженной частицы пропорциональна векторному произведению напряжённостей магнитного Н(r,t) и электрического Е(r,t) полей:

Полную энергию W, теряемую заряженной частицей за единицу времени в процессе излучения, можно получить, вычислив поток энергии через сферу бесконечно большого радиуса r.

где dΩ. - элемент телесного угла, n - единичный вектор в направлении распространения излучения Собственное поле системы зарядов на далёких расстояниях убывает с расстоянием быстрее, чем 1/r, а поле излучения на больших расстояниях от источника убывает как 1/r.

Когерентность излучателей. Плотность потока излучения, приходящего в определённую точку пространства от двух одинаковых источников, пропорциональна векторному произведению сумм напряжённостей электрических E₁(r, t) и Е₂(r, t) и магнитных Н₁(r,t) и Н₂(r,t) полей электромагнитных волн от источников 1 и 2:

Результат сложения двух синусоидальных плоских волн зависит от фаз, в которых они приходят в данную точку. Если фазы одинаковы, то поля Е и Н удваиваются, а энергия поля в данной точке увеличивается в 4 раза по сравнению с энергией поля от одного источника. В том случае, когда волны от двух разных источников приходят к детектору с противоположными фазами, перекрёстные произведения полей [E₁(r, t)Н₂(r, t)] и [Е₂(r,t)Н₁(r,t)]в(3) обращаются в нуль. В результате от двух излучателей в данную точку приходит энергия вдвое большая, чем от одного излучателя. В случае N излучателей, волны от которых приходят в данную точку в одинаковых фазах, энергия увеличится в N² раз. Такие излучатели называются когерентными. Если же фазы приходящих к детектору волн от каждого излучателя случайные, то поля от разных излучателей при сложении в точке наблюдения частично погашаются. Тогда от N источников детектор зарегистрирует энергию в N раз большую, чем от одного источника. Такие источники (и их излучения) называют некогерентными. К ним относятся практически все обычные источники света (пламя свечи, лампы накаливания, люминесцентные лампы и т.п.); в них моменты времени высвечивания каждого атома или молекулы (и, соответственно, фазы, в которых приходят в определённую точку волны их излучения) случайны. Когерентными источниками излучения являются лазеры, в которых создаются условия для одновременного высвечивания всех атомов рабочего вещества.

Реакция излучения. Излучающая заряженная частица теряет энергию, так что в процессе излучения создаётся действующая на частицу сила, замедляющая её скорость и называемая силой реакции излучения или силой радиационного трения. При нерелятивистских скоростях заряженных частиц сила реакции излучения всегда мала, но при скоростях, близких к скорости света, она может играть основную роль. Так, в магнитном поле Земли потери энергии на излучения электронов космических лучей, обладающих высокой энергией, столь велики, что электроны не могут долететь до поверхности Земли. У частиц космических лучей с такой же энергией и большей массой потери энергии на излучения меньше, чем у электронов, и они долетают до поверхности Земли. Отсюда следует, что состав космических лучей, регистрируемый на поверхности Земли и с ИСЗ, может быть различен.

Длина когерентности излучения. Процессы излучения при нерелятивистских и ультрарелятивистских скоростях заряженной частицы различаются размерами области пространства, где формируется поле излучения. В нерелятивистском случае (когда скорость v частицы невелика) поле излучения уходит от заряда со скоростью света и процесс излучения заканчивается быстро, размер области формирования излучения (длина когерентности) L намного меньше длины волны излучения λ, L~λv/с. Если же скорость частицы близка к скорости света (при релятивистских скоростях), образовавшееся поле излучения и создавшая его частица движутся долгое время вблизи друг друга и расходятся, пролетев достаточно большой путь. Формирование поля излучения продолжается много дольше, и длина L много больше длины волны, L~λγ (где γ=[1 -(v/с)]^-1/2 – лоренц-фактор частицы).

Тормозное излучение возникает при рассеянии заряженной частицы на атомах вещества. Если время Δt за которое частица с зарядом е при рассеянии изменяет скорость от v₁ до v₂, много меньше времени формирования излучения L/v, то изменение скорости заряженной частицы можно считать мгновенным. Тогда распределение энергии излучения по углам и круговым частотам ω имеет вид:

Умножив это выражение на вероятность изменения скорости частицы при рассеянии от v₁ до v₂ и проинтегрировав полученное выражение по всем v₂, можно получить распределение энергии тормозного излучения по частотам и углам (не зависящее от частоты). Более лёгкие частицы легче отклоняются при взаимодействии с атомом, поэтому интенсивность тормозного излучения обратно пропорциональна квадрату массы быстрой частицы. Тормозное излучение - основная причина потерь энергии релятивистских электронов в веществе в том случае, когда энергия электрона больше некоторой критической энергии, составляющей для воздуха 83 МэВ, для Al - 47 МэВ, для РЬ -59 МэВ.

Магнитотормозное излучение возникает при движении заряженной частицы в магнитном поле, искривляющем траекторию её движения. В постоянном и однородном магнитом поле траектория движения заряженной частицы массой m представляет собой спираль, т. е. складывается из равномерного движения вдоль направления поля и вращения вокруг него с частотой ω_Н = еН/γmс.

Периодичность движения частицы приводит к тому, что излучаемые ею волны имеют частоты, кратные ω_Н: ω = Мω_Н, где N=1,2,3 ... . излучения ультрарелятивистских частиц в магнитном поле называется синхротронным излучением. Оно имеет широкий спектр частот с максимумом при ω порядка ω_Нγ³ и основная доля излучённой энергии лежит в области частот ω » ω_Н. Интервалы между соседними частотами в этом случае много меньше частоты, поэтому распределение частот в спектре синхротронного излучения можно приближённо считать непрерывным. В области частот ω « ω_Нγ³ интенсивность излучения растёт с частотой как ω^2/3, а в области частот ω » ω_Нγ³ интенсивность излучения экспоненциально убывает с ростом частоты. Синхротронное излучение имеет малую угловую расходимость (порядка l/γ) и высокую степень поляризации в плоскости орбиты частицы. Магнитотормозное излучение при нерелятивистских скоростях заряженных частиц называют циклотронным излучением, его частота ω = ω_Н.

Ондуляторное излучение возникает при движении ультрарелятивистской заряженной частицы с малыми поперечными периодическими отклонениями, например при пролёте в периодически меняющемся электрическом поле (такое поле формируется, например, в специальных устройствах - ондуляторах). Частота ω ондуляторного излучения связана с частотой поперечных колебаний ω₀ частицы соотношением

где θ- угол между скоростью частицы v и направлением распространения ондуляторного излучения. Аналог этого типа излучения - излучение, возникающее при каналировании заряженных частиц в монокристаллах, когда движущаяся между соседними кристаллическими ографическими плоскостями частица испытывает поперечные колебания вследствие взаимодействия с внутрикристаллическим полем.

Излучение Вавилова - Черенкова наблюдается при равномерном движении заряженной частицы в среде со скоростью, превышающей фазовую скорость света с/ε^1/2 в среде (ε - диэлектрическая проницаемость среды). В этом случае часть собственного поля частицы отстаёт от неё и формирует электромагнитные волны, распространяющиеся под углом к направлению движения частицы (смотри Вавилова - Черенкова излучение), который определяется равенством cos θ = с/vε^1/2. За открытие и объяснение этого принципиально нового вида излучения, нашедшего широкое применение для измерения скорости заряженных частиц, И. Е. Тамму, И. М. Франку и П. А. Черенкову присуждена Нобелевская премия (1958).

Переходное излучение (предсказанное В. Л. Гинзбургом и И. М. Франком в 1946) возникает при равномерном прямолинейном движении заряженной частицы в пространстве с неоднородными диэлектрическими свойствами. Наиболее часто оно формируется при пересечении частицей границы раздела двух сред с различными диэлектрическими проницаемостями (часто именно это излучение считают переходным; смотри Переходное излучение). Собственное поле движущейся с постоянной скоростью частицы в разных средах различно, так что на границе раздела сред происходит перестройка собственного поля, приводящая к излучению. Переходное излучение не зависит от массы быстрой частицы, его интенсивность зависит не от скорости частицы, а от её энергии, что позволяет создавать на его основе уникальные точные методы регистрации частиц сверхвысоких энергий.

Дифракционное излучение возникает при пролёте заряженной частицы в вакууме вблизи поверхности вещества, когда собственное поле частицы изменяется вследствие его взаимодействия с неоднородностями поверхности. Дифракционное излучение успешно применяется для изучения поверхностных свойств вещества.

Излучение систем заряженных частиц.

Простейшая система, которая может излучать, - диполь электрический с переменным дипольным моментом - система из двух разноимённо заряженных колеблющихся частиц. При изменении поля диполя, например при колебаниях частиц, вдоль соединяющей их прямой (оси диполя) навстречу друг другу, часть поля отрывается, и формируются электромагнитные волны. Такое излучение неизотропно, его энергия в различных направлениях неодинакова: максимальна в направлении, перпендикулярном оси колебаний частиц, и отсутствует в перпендикулярном направлении, для промежуточных направлений его интенсивность пропорциональна sinθ² (θ - угол между направлением излучения и осью колебания частиц). Реальные излучатели, как правило, состоят из большого числа разноимённо заряженных частиц, но часто учёт их расположения и детали движения вдали от системы несущественны; в этом случае, возможно упростить истинное распределение, «стянув» одноимённые заряды к некоторым центрам распределения зарядов. Если система в целом электронейтральна, то её излучение приближённо можно считать излучением электрического диполя.

Если дипольное излучение системы отсутствует, то её можно представить как квадруполь или более сложную систему - мультиполь. При движении зарядов в ней возникает электрическое квадрупольное или мультипольное излучение. Источниками излучения могут быть также системы, которые представляют собой магнитные диполи (например, контур с током) или магнитные мультиполи. Интенсивность магнитного дипольного излучения, как правило, в (v/с)² раз меньше интенсивности электрического дипольного излучения и одного порядка с электрическим квадрупольным излучением.

Квантовая теория излучения. Квантовая электродинамика рассматривает процессы излучения квантовыми системами (атомами, молекулами, атомными ядрами и др.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики; при этом свободное электромагнитное поле представляют как совокупность квантов этого поля - фотонов. Энергия фотона Е пропорциональна его частоте v (v = ω/2π), то есть Е=hv (h - постоянная Планка), а импульс р - волновому вектору k: р = hk. Излучение фотона сопровождается квантовым переходом системы из состояния с энергией E₁ в состояние с меньшей энергией Е₂=E₁- hv (с уровня энергии E₁ на уровень Е₂). Энергия связанной квантовой системы (например, атома) квантована, т. е. принимает лишь дискретные значения; частоты излучения такой системы тоже дискретны. Таким образом, излучение квантовой системы состоит из отдельных спектральных линий с определёнными частотами, т. е. имеет дискретный спектр. Непрерывный (сплошной) спектр излучения получается в том случае, когда одна (или обе) из последовательностей значений начальной и конечной энергий системы, в которой происходит квантовый переход, непрерывна (например, при рекомбинации свободного электрона и иона).

Квантовая электродинамика позволила вычислять интенсивности излучения различных систем, рассматривать вероятности безызлучательных переходов, процессы переноса излучения, рассчитывать так называемые радиационные поправки и другие характеристики излучения квантовых систем.

Все состояния атома, кроме основного (состояния с минимальной энергией), называемые возбуждёнными, неустойчивы. Находясь в них, атом через определённое время (порядка 10^-8 с) самопроизвольно испускает фотон; такое излучение называется спонтанным или самопроизвольным. Характеристики спонтанного излучения атома - направление распространения, интенсивность, поляризация - не зависят от внешних условий. Набор длин волн излучения индивидуален для атома каждого химического элемента и представляет его атомный спектр. Основным излучением атома является дипольное излучение, которое может происходить только при квантовых переходах, разрешённых отбора правилами для электрических дипольных переходов, то есть при определённых соотношениях между характеристиками (квантовыми числами) начального и конечного состояний атома. Мультипольное излучение атома (так называемые запрещённые линии) при определённых условиях также может возникать, но вероятность переходов, при которых оно происходит, мала, и его интенсивность, как правило, невелика. Излучение  атомных ядер происходит при квантовых переходах между ядерными уровнями энергии и определяется соответствующими правилами отбора.

излучение различных молекул, в которых происходят колебательные и вращательные движения составляющих их заряженных частиц, имеет сложные спектры, обладающие электронно-колебательно-вращательной структурой (смотри Молекулярные спектры).

Вероятность испускания фотона с импульсом hk и энергией hv пропорциональна (n_k + 1), где n_k - число точно таких же фотонов в системе до момента испускания. При n_k = 0 происходит спонтанное излучение, если n_k ≠ 0, появляется также вынужденное излучение. Фотон вынужденного излучения, в отличие от спонтанного, обладает таким же направлением распространения, частотой и поляризацией, что и фотон внешнего излучения; интенсивность вынужденного излучения пропорциональна числу фотонов внешнего излучения. Существование вынужденного излучения постулировал в 1916 году А. Эйнштейн, который рассчитал вероятность вынужденного излучения (смотри Эйнштейна коэффициенты). В обычных условиях вероятность (и, следовательно, интенсивность) вынужденного излучения мала, однако в квантовых генераторах (лазерах) для увеличения n_k рабочее вещество (излучатель) помещают в оптические резонаторы, удерживающие фотоны внешнего излучения вблизи него. Каждый испущенный веществом фотон увеличивает n_k, поэтому интенсивность излучения с данным k быстро растёт при малой интенсивности излучения фотонов со всеми другими k. В результате квантовый генератор оказывается источником вынужденного излучения с очень узкой полосой значений v и k - когерентного излучения. Поле такого излучения очень интенсивно, может стать сравнимым по величине с внутримолекулярными полями, и взаимодействие излучения квантового генератора (лазерного излучения) с веществом становится нелинейным (смотри Нелинейная оптика).

Излучение  различных объектов несёт информацию об их структуре, свойствах и процессах, происходящих в них; его исследование - мощный и часто единственный (например, для космических тел) способ их изучения. Теории излучения принадлежит особая роль в формировании современной физической картины мира. В процессе построения этой теории возникли теория относительности, квантовая механика, были созданы новые источники излучения, получен ряд достижений в области радиотехники, электроники и др.

Лит.: Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б. Квантовая электродинамика. 4-е изд. М., 1981; Ландау Л. Д., Лифшиц Е.М. Теория поля. 8-е изд. М., 2001 ; Тамм И. Е. Основы теории электричества. 11-е изд. М., 2003.