軔致輻射

軔致輻射

軔致輻射(bremsstrahlung)是指高速電子驟然減速產生的輻射。泛指帶電粒子在碰撞(尤指它們之間的庫侖散射)過程中發出的輻射。例如一個高能電子與一個原子核相碰撞時就產生這種輻射。

基本信息

產生機理

軔致輻射軔致輻射
X射線管中高速電子轟擊金屬靶而驟然減速時就會產生這類X射線。這是因為電子接近原子核時與原子核的庫侖場相互作用,電子的運動方向發生偏折,並急劇減速,能量轉化成輻射的形式。軔致輻射也泛指帶電粒子碰撞過程中發出的輻射。帶電粒子的速度遠小於光速c時,軔致輻射與電離相比顯得並不重要;帶電粒子的速度接近光速c時,軔致輻射是其能量損失的主要機制。軔致輻射是產生高能光子束(X射線、γ射線)的基本方法,用這種光子束可研究基本粒子和原子核的電磁結構,以及輻射與物質相互作用過程。

理論詮釋

X射線管中高電壓加速電子所產生軔致輻射具有連續譜的性質,短波極限λ0由加速電壓V決定:
λ0=hc/eV
式中h為普朗克常數,c為真空中的光速,e為電子電荷,輻射的強度在很寬的頻譜範圍內緩慢變化。除X射線管中產生的X射線連續譜屬於軔致輻射之外,軔致輻射在核聚變反應中也是重要的,β衰變過程中電荷的突然產生或電荷的突然消失(如電子俘獲)也伴隨有軔致輻射。天文觀測中軔致輻射是常見的現象,有一些X射線源的輻射就是由遵循麥克斯韋速度分布律的電子所產生的軔致輻射,由於麥克斯韋分布常在分子熱運動中體現,故又稱為熱軔致輻射

重要特徵

在庫侖碰撞中,軔致輻射的總功率正比於相碰粒子電荷數Z2的乘積,反比於入射粒子質量m2。所以,作為一種能量損失機制,介質元素愈重,入射粒子愈輕,此種效應愈重要。人們研究得最多的是最輕粒子——電子的入射束流在原子核或離子庫侖勢中散射時的軔致輻射損失
在熱核聚變反應中,軔致輻射的作用是極為重要的。它引起的能量損失與聚變能的產生皆正比於粒子數密度的二次方,並都是某種隨溫度T增長的函式,溫度較低時前者超過後者,溫度較高時後者超過前者。兩者之間的競爭決定著得失相當的點火溫度。此外,聚變使用的是低電荷數Z的核燃料,由於軔致輻射隨Z增加很快,極少量的重離子雜質將迫使點火溫度大大提高。這是任何核聚變裝置中都要密切注意的問題
軔致輻射的一個重要特徵是具有連續譜,其強度在很寬的頻譜範圍內變化緩慢。
此時經典理論早已不適用。軔致輻射的低頻段可用經典電動力學來處理,高頻段則需用量子電動力學來計算。非相對論性粒子的軔致輻射方向性不強,軔致輻射是部分偏振的。

天體

軔致輻射是高能光子成分相當豐富的一種輻射。在高能端,軔致輻射單個光子的能量幾乎可以等於高能電子的全部動能。在天體物理學中,軔致輻射泛指一個電子在與正離子發生碰撞而速度突然改變時產生的輻射,這裡碰撞電子的能量不一定很高。

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