Подписаться

Тормозное излучение

Последняя правка сделана 2021-05-13 10:54:30 Править
Тормозное излучение, создаваемое высокоэнергетическим электроном, отклоняющимся в электрическом поле атомного ядра.

Тормозное излучение (Немецкое произношение: (Об этом звуке слушайте )), от bremsen «тормозить» и Strahlung «излучать»; т.е. "тормозящее излучение" или "замедляющее излучение" - это электромагнитное излучение, создаваемое замедление заряженной частицы при отклонении другой заряженной частицы, обычно электроном атомным ядром . Движущаяся частица теряет кинетическую энергию, которая преобразует излучение (т.е. фотон ), тем самым удовлетворяя закону сохранения энергии. Этот термин также используется для обозначения процесса распространения излучения. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, который становится более интенсивным, а пиковая интенсивность которого смещается в сторону более высоких частот по мере увеличения изменения энергии замедляющихся частиц.

Вообще говоря, тормозное излучение или тормозное излучение - это любое излучение, проявляющее из-за замедления (отрицательного ускорения) заряженной частицы, которое включает в себя хротронное излучение ( т.е. релятивистской частицей), циклотронным излучением (т.е. испусканием фотона нерелятивистской частицей) и испусканием электронов и позитронов во время бета-распада. Этот термин часто используется в более узком смысле - излучение электронов (из любого источника), замедляющееся в веществе.

Тормозное излучение, испускаемое из плазмы, иногда называют свободным излучением . Это относится к свободным заряженным частям. т.е. не является частью иона, атома или молекулы как до, так и после отклонения (ускорение ), вызвавшего излучение.

Содержание

  • 1 Частица в вакууме: классическое описание
    • 1.1 Полная излучаемая мощность
    • 1.2 Угловое распределение
  • 2 Электронно-ионное тормозное излучение в «вакууме»: упрощенное квантовое описание
  • 3 Тепловое тормозное излучение: излучение и поглощение
  • 4 В плазме
    • 4.1 Релятивистские поправки
    • 4.2 Тормозное охлаждение
  • 5 Поляризационное тормозное излучение
  • 6 Источники
    • 6.1 Рентгеновская трубка
    • 6.2 Бета-распад
      • 6.2.1 Внутреннее и внешнее тормозное излучение
      • 6.2.2 Радиационная безопасность
    • 6.3 В астрофизике
    • 6.4 В электрических разрядах
  • 7 Квантово-механическое описание
  • 8 Электронно-электронное тормозное излучение
  • 9 См. Также
  • 10 Ссылки
  • 11 Дополнительная литература
  • 12 Внешние ссылки

Частица в вакууме: классическое описание

Силовые линии и модуль электрического поля, создаваемое (отрицательное) зарядом, сначала движущимся с постоянной скоростью, а затем останавливаясь быстро показать генерируемое тормозное излучение.

Этот раздел написан с чисто классической точки зрения, остроумие квантовой механикой пренебрегли. Заряженная частица, ускоряющаяся в вакууме, излучает энергию, как описано лой Лармора и ее релятивистскими обобщениями. Хотя термин «тормозное излучение» обычно используется для обозначения заряженных частиц, ускоряющихся в веществе, а не в вакууме формулы аналогичны. (В этом отношении тормозное излучение отличается от черенковского излучения, другого вида тормозного излучения, возникает только в веществе, а не в вакууме.)

Полная излучаемая мощность

Наиболее устоявшаяся релятивистская формула мощности для полной излучаемой дается следующим образом:

P = q 2 γ 4 6 π ε 0 c (β ˙ 2 + (β → ⋅ β → ˙) 2 1 - β 2), {\ displaystyle P = {\ frac {q ^ {2} \ gamma ^ {4}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c}} \ left ({\ dot {\ beta}} ^ {2} + {\ frac {\ left ({\ vec {\ beta}} \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2}} {1- \ beta ^ {2}}} \ right),}{\ displaystyle P = {\ frac {q ^ {2} \ gamma ^ {4}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c}} \ left ({\ dot {\ beta}} ^ {2} + {\ frac {\ left ({\ vec {\ beta}} \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta) }}} \ right) ^ {2}} {1- \ beta ^ {2}}} \ right),}

где β → = v → c {\ displaystyle {\ vec {\ beta}} = {\ frac {\ vec {v}} {c}}}{\ displaystyle {\ vec {\ beta}} = {\ frac {\ vec {v}} {c}}} (скорость частица, деленная на скорость света), γ = 1 1 - β 2 {\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ beta ^ {2}}}}}{\ displaystyle \ gamma = {\ frac {1} {\ sqrt {1- \ beta ^ {2}}}} } - фактор Лоренца, β → ˙ {\ displaystyle {\ dot {\ vec {\ beta}}}}{\ dot {\ vec {\ beta}}} означает производную по времени от β → {\ dis playstyle {\ vec {\ beta}}}{\ vec {\ beta}} , а q - заряды частиц. Обычно это записывается в математически эквивалентной форме с использованием (β → ⋅ β → ˙) 2 = β ˙ 2 β 2 - (β → × β → ˙) 2 {\ displaystyle \ left ({\ vec {\ beta} } \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2} = {\ dot {\ beta}} ^ {2} \ beta ^ {2} - \ left ({\ vec {\ beta}} \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2}}{\ displaystyle \ left ({\ vec {\ beta}} \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2} = {\ dot {\ beta}} ^ {2} \ beta ^ {2} - \ left ( {\ vec {\ beta}} \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2}} :

P = q 2 γ 6 6 π ε 0 c ((β → ˙) 2 - (β → × β → ˙) 2). {\ displaystyle P = {\ frac {q ^ {2} \ gamma ^ {6}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c}} \ left (({\ dot {\ vec {\ beta}}}) ^ {2} - \ left ({\ vec {\ beta}} \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2} \ right).}{\ displaystyle P = {\ frac {q ^ {2} \ gamma ^ {6}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c}} \ left (({\ dot {\ vec {\ beta}}}) ^ {2} - \ left ({\ vec {\ beta}} \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}} \ right) ^ {2} \ right).}

В случае, если скорость параллельна ускорению (например, линейное движение), формула упрощается до

P a ∥ v = q 2 a 2 γ 6 6 π ε 0 c 3, {\ displaystyle P_ {a \ parallel v} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2} \ gamma ^ {6}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c ^ {3}}},}P_ {a \ parallel v} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2} \ gamma ^ {6}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c ^ {3}}},

где a ≡ v ˙ = β ˙ c {\ displaystyle a \ Equiv {\ dot {v}} = {\ dot {\ beta}} c}а \ экв {\ точка {v}} = {\ точка {\ бета}} с - это ускорение. В случае ускорения, перпендикулярного скорости (β → ⋅ β → ˙ = 0) {\ displaystyle \ left ({\ vec {\ beta}} \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta}}}} = 0 \ right)}{\ displaystyle \ left ({\ vec {\ beta}} \ cdot {\ dot {\ vec {\ beta}}} = 0 \ right)} (случай, который возникает в кольцевых ускорителях частиц, известных как синхротроны ), общая излучаемая мощность уменьшается до

P a ⊥ v = q 2 a 2 γ 4 6 π ε 0 с 3. {\ Displaystyle P_ {a \ perp v} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2} \ gamma ^ {4}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c ^ {3}}}. }P_ {a \ perp v} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2} \ gamma ^ {4}} {6 \ pi \ varepsilon _ {0} c ^ {3 }}}.

Мощность, излучаемая в двух предельных случаях, пропорциональна γ 4 {\ displaystyle \ gamma ^ {4}}\ gamma ^ {4} (a ⊥ v) {\ displaystyle \ left (a \ perp v \ right)}{\ displaystyle \ left (a \ perp v \ right)} или γ 6 {\ displaystyle \ gamma ^ {6}}\ gamma ^ {6 } (a ∥ v) {\ displaystyle \ left (a \ parallel v \ right)}{\ displaystyle \ left (a \ parallel v \ right)} . E = γ mc 2 {\ displaystyle E = \ gamma mc ^ {2}}E = \ gamma mc ^ {2} , мы видим, что для частиц с той же энергией E {\ displaystyle E}E общая излучаемая мощность составляет м - 4 {\ displaystyle m ^ {- 4}}m ^ {- 4} или м - 6 {\ displaystyle m ^ {- 6}}м ^ {- 6} , что объясняет, почему электроны теряют энергию из-за тормозного излучения быстрее, чем более заряженные частицы (например, мюоны, протоны, альфа-частицы). По этой причине электрон-позитронный коллайдер с энергией ТэВ (такой как предлагаемый International Linear Collider ) не может использовать круглый туннель (требующий постоянного ускорения), в то время как протон-протонный коллайдер (такой как Большой адронный коллайдер ) может использовать круглый туннель. Электроны теряют энергию из-за тормозного излучения со скоростью (mp / me) 4 ≈ 10 13 {\ displaystyle (m_ {p} / m_ {e}) ^ {4} \ приблизительно 10 ^ {13}}(m_ {p} / m_ { e}) ^ {4} \ приблизительно 10 ^ {13} раз выше, чем у протонов.

Угловое распределение

Наиболее общая формула для излучаемой мощности как функции угла:

d P d Ω = q 2 16 π 2 ε 0 c | п ^ × ((п ^ - β →) × β → ˙) | 2 (1 - п ^ ⋅ β →) 5 {\ displaystyle {\ frac {dP} {d \ Omega}} = {\ frac {q ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ varepsilon _ {0 } c}} {\ frac {\ left | {\ hat {n}} \ times \ left (\ left ({\ hat {n}} - {\ vec {\ beta}} \ right) \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}}} \ right) \ право | ^ {2}} {\ left (1 - {\ hat {n}} \ cdot {\ vec {\ beta}} \ right) ^ {5}}}}{\ displaystyle {\ frac {dP} {d \ Omega}} = {\ frac {q ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ varepsilon _ {0 } c}} {\ frac {\ left | {\ hat {n}} \ times \ left (\ left ({\ hat {n}} - {\ vec {\ beta}} \ right) \ times {\ dot {\ vec {\ beta}}}} \ right) \ право | ^ {2}} {\ left (1 - {\ hat {n}} \ cdot {\ vec {\ beta}} \ right) ^ {5} }}}

где n ^ {\ displaystyle {\ hat {n}}}{\ hat {n}} - единичный вектор, указывающий от частиц к наблюдателю, а d Ω {\ displaystyle d \ Omega}d \ Omega - бесконечно малый бит телесного угла.

В случае, когда скорость параллельна ускорения (например, линейное движение), это упрощается до

d P a ∥ vd Ω = q 2 a 2 16 π 2 ε 0 c 3 sin 2 ⁡ θ (1 - β соз ⁡ θ) 5 {\ displaystyle {\ frac {dP_ {a \ parallel v}} {d \ Omega}} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2}} {16 \ pi ^ { 2} \ varepsilon _ {0} c ^ {3}}} {\ frac {\ sin ^ {2} \ theta} {(1- \ beta \ cos \ theta) ^ {5}}}}{\ displaystyle {\ frac {dP_ {a \ parallel v}} { d \ Omega}} = {\ frac {q ^ {2} a ^ {2}} {16 \ pi ^ {2} \ varepsilon _ {0} c ^ {3}}} {\ frac {\ sin ^ { 2} \ theta} {(1- \ beta \ cos \ theta) ^ {5}}}}

где θ {\ displaystyle \ theta}\ theta - угол между a → {\ displaystyle {\ vec {a}}}{\ vec {a}} и направлением наблюдения..

Электронно-ионное тормозное излучение в «вакууме»: упрощенное квантовое описание

В этом разделе дается квантово-механический аналог предыдущего раздела, но с некоторыми упрощениями. Мы даем нерелятивистский подход к частному случаю электрона с массой me {\ displaystyle m_ {e}}m_ {e} , зарядом - e {\ displaystyle -e}-e , и начальная скорость v {\ displaystyle v}v , замедляющаяся в кулоновском поле тяжелого газа с зарядом Z e {\ displaystyle Ze}{ \ displaystyle Ze} и числовая плотность ni { \ Displaystyle n_ {i}}n_{i}. Испускаемое излучение - это фотон с выбором ν = c / λ {\ displaystyle \ nu = c / \ lambda}\ nu = c / \ lambda и энергией h ν {\ displaystyle h \ nu}h \ nu . Мы хотим найти коэффициент излучения j (v, ν) {\ displaystyle j (v, \ nu)}{\ displaystyle j (v, \ nu)} , который является мощностью, излучаемой на (телесный угол в пространстве скорости фотона * частота фотона), суммированы по обеим поперечным поляризациям фотонов. Мы следуем общей астрофизической практике написания этого результата в терминах приблизительного классического результата, умноженного на фактор Гаунта g ff свободного излучения, который включает квантовые и другие поправки:

j (v, ν) = 8 π 3 3 (е 2 4 π ϵ 0) 3 Z 2 nic 3 me 2 vgff (v, ν) {\ displaystyle j (v, \ nu) = {8 \ pi \ over 3 {\ sqrt {3}}} \ left ( {e ^ {2} \ over 4 \ pi \ epsilon _ {0}} \ right) ^ {3} {Z ^ {2} n_ {i} \ over c ^ {3} m_ {e} ^ {2} v} g _ {\ rm {ff}} (v, \ nu)}{\ displaystyle j (v, \ nu) = {8 \ pi \ over 3 {\ sqrt {3}}} \ left ({e ^ {2} \ over 4 \ pi \ epsilon _ {0}} \ right) ^ {3} {Z ^ {2} n_ {i} \ over c ^ {3} m_ {e} ^ {2} v} g _ {\ rm {ff}} (v, \ nu)}

В физике плазмы фактор Гаунта часто называют кулоновским логарифмом.

Общая квантово-механическая формула для g f f {\ displaystyle g _ {\ rm {ff}}}{ \ displaystyle g _ {\ rm {ff}}} существует, но очень сложна и обычно находится с помощью численных расчетов. Мы представляем некоторые приблизительные результаты со следующими дополнительными предположениями:

  • Взаимодействие с вакуумом: мы пренебрегаем любыми эффектами фоновой среды, такими как эффекты экранирования плазмы. Это разумно для частоты фотонов, превышающая плазменную частоту ν pe ∝ ne 1/2 {\ displaystyle \ nu _ {\ rm {pe}} \ propto n _ {\ rm {e}} ^ {1/2}}{\ displaystyle \ nu _ {\ rm {pe}} \ propto n _ {\ rm {e}} ^ {1/2}} с ne {\ displaystyle n_ {e}}n_ {e} электронной плотностью плазмы. Обратите внимание, что световые волны быстро исчезают для ν < ν p e {\displaystyle \nu <\nu _{\rm {pe}}}{\ displaystyle \ nu <\ nu _ {\ rm {pe}}} , потребуется другой подход.
  • Мягкие фотоны: h ν ≪ mev 2/2 {\ displaystyle h \ nu \ ll m_ {e} v ^ {2} / 2}{\ displaystyle h \ nu \ ll m_ {e} v ^ {2} / 2} , то есть энергия фотона намного меньше начальной кинетической энергии электрона.

При этих предположениях два безразмерных параметра характеризуют процесс: η Z ≡ Z e 2 / ℏ v {\ displaystyle \ eta _ {Z} \ Equiv Ze ^ {2} / \ hbar v}{\ displaystyle \ eta _ {Z} \ Equiv Ze ^ {2} / \ hbar v} , который измеряет силу электрон-ионного кулоновского взаимодействия, и η ν ≡ час ν / 2 мэв 2 {\ displaystyle \ eta _ {\ nu} \ Equiv h \ nu / 2m_ {e} v ^ {2}}{\ displaystyle \ eta _ {\ nu} \ эквивалент h \ nu / 2m_ {e} v ^ {2}} , который измеряет "мягкость" фотона и предполагаем, что она всегда мала (множитель 2 выбран для дальнейшего удобства). В пределе η Z ≪ 1 {\ displaystyle \ eta _ {Z} \ ll 1}{\ displaystyle \ eta _ {Z} \ ll1} квантово-механическое приближение Борна дает:

gff, B orn = 3 π ln ⁡ 1 η ν {\ displaystyle g _ {\ rm {ff, Born}} = {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ ln {1 \ over \ eta _ {\ nu}}}{\ displaystyle g _ {\ rm {ff, Born}} = {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ ln {1 \ over \ eta _ {\ nu}}}

в противоположный предел η Z ≫ 1 {\ displaystyle \ eta _ {Z} \ gg 1}{\ displaystyle \ eta _ {Z} \ gg 1} , полный квантово-механический результат сводится к чисто классическому результату

gff, class = 3 π [пер ⁡ (1 η Z η ν) - γ] {\ displaystyle g _ {\ rm {ff, class}} = {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ left [\ ln \ left ({1 \ over \ eta _ {Z} \ eta _ {\ nu}} \ right) - \ gamma \ right]}{\ displaystyle g _ {\ rm {ff, class} } = {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ left [\ ln \ left ({1 \ over \ eta _ {Z} \ eta _ {\ nu}} \ right) - \ gamma \ right] }

где γ ≈ 0,577 {\ displaystyle \ gamma \ приблизительно 0,577}\ gamma \ приблизительно 0,577 - Постоянная Эйлера - Маскерони. Обратите внимание, что 1 / η Z η ν = mev 3 / π Z e 2 ν {\ displaystyle 1 / \ eta _ {Z} \ eta _ {\ nu} = m_ {e} v ^ {3} / \ pi Ze ^ {2} \ nu}{\ d isplaystyle 1 / \ eta _ {Z} \ eta _ {\ nu} = m_ {e} v ^ {3} / \ pi Ze ^ {2} \ nu} , которое является чисто классическим выражением без Планка h {\ displaystyle h}час .

Полуклассический эвристический способ понять фактор Гаунта - это запишите это как постоянную gff ≈ ln ⁡ (bmax / bmin) {\ displaystyle g _ {\ rm {ff}} \ приблизительно \ ln (b _ {\ rm {max}} / b _ {\ rm {min}})}{\ displaystyle g _ {\ rm {ff}} \ приблизительно \ ln (b _ {\ rm {max}} / b _ {\ rm {min}})} где bmax {\ displaystyle b_ {max}}{\ displaystyle b_ {max}} и bmin {\ displaystyle b _ {\ rm {min}}}{\ displaystyle b_ {\ rm {min}}} являются максимальными и минимальные «прицельные параметры» для электронно-ионного столкновения в электрическом поле фотона. С нашими предположениями, bmax = v / ν {\ displaystyle b _ {\ rm {max}} = v / \ nu}{\ displaystyle b _ {\ rm {max}} = v / \ nu} : для больших параметров удара синусоидальные колебания фотонного поля обеспечения "фазовое смешение" bmin {\ displaystyle b _ {\ rm {min}}}{\ displaystyle b_ {\ rm {min}}} - большая из квантово-механических длинных волн ДеБрогли ≈ ч / мэв {\ displaystyle \ ч / м_ {e} v}{\ displaystyle \ приблизительно h / m_ {e} v} и классическое расстояние наибольшего сбли ≈ e 2/4 π ϵ 0 мэв 2 {\ displaystyle \ приблизительно e ^ {2} / 4 \ pi \ epsilon _ { 0} m_ {e} v ^ {2}}{\ displaystyle \ приблизительно e ^ {2} / 4 \ pi \ epsilon _ {0} m_ {e} v ^ {2}} где электронно-ионная кулоновская потенциальная логическая энергия с начальной кинетической энергией электрона.

Приведенные выше результаты обычно применяются до тех пор, пока аргументарифма А именно, фактор Гаунта в этом случае становится отрицательным, что нефизично. ограничениями:

gff ≈ max [1, 3 π ln ⁡ [1 η ν max (1, e γ η Z)]] {\ displaystyle g_ {\ rm {ff}} \ приблизительно \ max \ left [1, {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ ln \ left [{1 \ over \ eta _ {\ nu} \ max (1, e ^ {\ gamma} \ eta _ {Z})} \ right ] \ right]}{\ displaystyle g _ {\ rm {ff}} \ приблизительно \ max \ left [1, {{\ sqrt {3}} \ over \ pi} \ ln \ left [{1 \ over \ eta _ {\ nu} \ max (1, e ^ {\ gamma} \ eta _ {Z})} \ right] \ right]}

Тепловое тормозное излучение: излучение и поглощение

Спектр мощности тормозного излучения быстро уменьшается при больших ω {\ displaystyle \ omega}\ omega , а также подавляется около ω знак равно ω п {\ Displaystyle \ omega = \ omega _ {\ rm {p}}}{\ displaystyle \ omega = \ omega _ {\ rm {p}}} . Этот график предназначен для квантового случая T e>Z 2 E h {\ displaystyle T_ {e}>Z ^ {2} E _ {\ rm {h}}}{\displaystyle T_{e}>Z ^ {2} E _ {\ rm {h}}} , и ℏ ω p / T e = 0,1 {\ displaystyle \ hbar \ omega _ {\ rm {p}} / T_ {e} = 0,1}{\ displaystyle \ hbar \ omega _ {\ rm {p} } / T_ {e} = 0,1} .

В разделе обсуждается тормозное излучение И процесс обратного поглощения (называемое обратным тормозным излучением) в макроскопической среде.

1 c ∂ t I ν + n ^ ⋅ ∇ I ν = j ν - К ν Я ν {\ displaystyle {1 \ over c} \ partial _ {t} I _ {\ nu} + {\ hat {n}} \ cdot \ nabla I _ {\ nu} = j _ { \ nu} -k _ {\ nu} I _ {\ nu}}{\ displaystyle {1 \ over c} \ partial _ {t} I_ {\ nu} + {\ hat {n}} \ cdot \ nabla I _ {\ nu} = j _ {\ nu} -k _ {\ nu} I _ {\ nu}}

I ν (t, x →) {\ displaystyle I _ {\ nu} (t, {\ vec {x}})}{\ displaystyle I _ {\ nu} (т, {\ vec {x}})} - спектральная интенсивность излучения, или мощность на (площадь * телесный угол в пространстве ск) орости фотона * частота фотона), суммированная по обеим поляризациям. j ν {\ displaystyle j _ {\ nu}}j _ {\ nu} - коэффициент излучения, аналогичный j (v, ν) {\ displaystyle j (v, \ nu)}{\ displaystyle j (v, \ nu)} , определенному выше, и k ν {\ displaystyle k _ {\ nu}}k _ {\ nu} - поглощающая способность. j ν {\ displaystyle j _ {\ nu}}j _ {\ nu} и k ν {\ displaystyle k _ {\ nu}}k _ {\ nu} - это свойства вещества, а не Как в среде одного электрона, как только в одной и той же части. Если I ν {\ displaystyle I _ {\ nu}}I _ {\ nu} однородно в пространстве и времени, то левая часть уравнения переноса равна нулю, и мы находим

I ν = j ν К ν { \ displaystyle I _ {\ nu} = {j _ {\ nu} \ over k _ {\ nu}}}{\ displaystyle I _ {\ nu} = {j _ {\ nu} \ over k _ {\ nu}}}

Если вещество и излучение также находится в тепловом равновесии при некоторой температуре, то I ν {\ displaystyle I _ {\ nu}}I _ {\ nu} должно быть спектром черного тела :

B ν (ν, T) = 2 час ν 3 c 2 1 eh ν / k T - 1 {\ Displaystyle B _ {\ nu} (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} {\ frac {1} {e ^ {h \ nu / kT} - 1}}}{\ displaystyle B _ {\ nu} (\ nu, T) = {\ frac {2h \ nu ^ {3}} {c ^ {2}}} {\ frac {1} {е ^ {ч \ ню / кТ} -1}}}

j ν {\ displaystyle j _ {\ nu}}j _ {\ nu} и k ν {\ displaystyle k _ {\ nu}}k _ {\ nu} не зависит от I ν {\ displaystyle I _ {\ nu}}I _ {\ nu} , это означает, что j ν / k ν {\ displaystyle j _ {\ nu} / k _ {\ nu}}{\ displaystyle j _ {\ nu} / k _ {\ nu}} должен быть спектром черного тела, когда вещество находится в равновесии при некоторой температуре - независимо от состояния излучения. Это позволяет нам сразу узнать как j ν {\ displaystyle j _ {\ nu}}j _ {\ nu} , так и k ν {\ displaystyle k _ {\ nu}}k _ {\ nu} один раз известно - для вещества в равновесии.

В плазме

: в этом разделе в данном разделе в настоящем разделе приводятся формулы, которые применяются в пределе Рэлея-Джинса ℏ ω ≪ k BT e {\ displaystyle \ hbar \ omega \ ll k _ {\ rm {B}} T_ {e}}{\ displaystyle \ hbar \ omega \ ll k _ {\ rm {B}} T_ {e}} и не использует квантованную (планковскую) обработку излучения. Таким образом, обычный множитель, например exp ⁡ (- ℏ ω / k BT e) {\ displaystyle \ exp (- \ hbar \ omega / k _ {\ rm {B}} T_ {e})}{\ displaystyle \ exp (- \ hbar \ omega / k _ {\ rm {B}} T_ {e})} не появляется. Появление ℏ ω / k BT e {\ displaystyle \ hbar \ omega / k _ {\ rm {B}} T_ {e}}{\ displaystyle \ hbar \ omega / k _ {\ rm {B}} T_ {e}} в y {\ displaystyle y}y ниже объясняется квантово-механической обработкой столкновений.

В плазме свободные электроны постоянно сталкиваются с ионами, создавая тормозное излучение. Полный анализ требует учета как бинарных кулоновских столкновений, так и коллективного (диэлектрического) поведения. Подробное описание дано Бекефи, упрощенное - Ичимару. В этом разделе мы следуем диэлектрической трактовке, которая взаимодействует через волновое число отсечки, kmax {\ displaystyle k _ {\ rm {max}}}{\ displaystyle k _ {\ rm {max}}} .

Рассмотрим однородную плазму с тепловыми электронами, распределенными в соответствии с Распределение Максвелла - Больцмана с температурой T e {\ displaystyle T_ {e}}T_{e}. Согласно Бекефи, спектральная плотность мощности (мощность на интервале угловой частоты на объем, проинтегрированная по всему телесному полю 4 π {\ displaystyle 4 \ pi}4 \ pi sr и в обеих поляризациях) излучаемого тормозного излучения вычисляется как

d PB rd ω = 8 2 3 π [e 2 4 π ε 0] 3 1 (mec 2) 3/2 [1 - ω p 2 ω 2] 1/2 Z i 2 девять (k BT e) 1/2 E 1 (y), {\ displaystyle {dP _ {\ mathrm {Br}} \ over d \ omega} = {8 {\ sqrt {2}} \ over 3 {\ sqrt {\ pi}}} \ left [{ e ^ {2} \ over 4 \ pi \ varepsilon _ {0}} \ right] ^ {3} {1 \ over (m_ {e} c ^ {2}) ^ {3/2}} \ left [1 - {\ omega _ {\ rm {p}} ^ {2} \ over \ omega ^ {2}} \ right] ^ {1/2} {Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e } \ over (k _ {\ rm {B}} T_ {e}) ^ {1/2}} E_ {1} (y),}{\ displaystyle {dP _ {\ mathrm {Br}} \ over d \ omega} = {8 {\ sqrt {2}} \ over 3 {\ sqrt {\ pi}}} \ left [{e ^ {2} \ over 4 \ pi \ varepsilon _ {0 }} \ right] ^ {3} {1 \ over (m_ {e} c ^ {2}) ^ {3/2}} \ left [1 - {\ omega _ {\ rm {p}} ^ {2 } \ over \ omega ^ {2}} \ right] ^ {1/2} {Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} \ over (k _ {\ rm {B}} T_ {e }) ^ {1/2}} E_ {1} (y),}

где ω p ≡ (урожденная 2 / ε 0 мне) 1/2 {\ displaystyle \ omega _ {p} \ Equiv (n_ {e} e ^ {2} / \ varepsilon _ {0} m_ {e}) ^ {1/2}}{\ displaystyle \ omega _ {p} \ Equiv (n_ {e} e ^ {2} / \ varepsilon _ {0} m_ {e }) ^ {1/2}} - плазменная частота электронов, ω {\ displaystyle \ omega}\ omega - частота фотонов, ne, ni {\ plays tyle n_ {e}, n_ {i}}n_ {e}, n_ {i} - плотность электронов и ионы, а другие символы являются физическими константами. Второй фактор в квадратных скобках - это показатель преломления световой волны в плазме, он показывает, что излучение подавляется для ω < ω p {\displaystyle \omega <\omega _{\rm {p}}}{\ displaystyle \ омега <\ omega _ {\ rm {p}}} (это условие отсечки для световой волны в плазме; в этом случае световая волна мимолетный ). Таким образом, эта формула применима только для ω>ω p {\ displaystyle \ omega>\ omega _ {\ rm {p}}}{\displaystyle \omega>\ omega _ {\ rm {p}}} . Эта формула должна быть суммирована по видум таким образом -вид плазмы.

Специальная функция E 1 {\ displaystyle E_ {1}}E_{1}определена в статье экспоненциальный интеграл, а безразмерная величина y {\ displaystyle y}y равно

y = 1 2 ω 2 mekmax 2 k BT e {\ displaystyle y = {1 \ over 2} {\ omega ^ {2} m_ {e} \ над к _ {\ rm {max}} ^ {2} k _ {\ rm {B}} T_ {e}}}{\ displaystyle y = {1 \ over 2} {\ omega ^ {2} m_ {e} \ over k _ {\ rm {max}} ^ {2} k _ {\ rm {B}} T_ {e}}}

kmax {\ displaystyle k _ {\ rm {max}}}<140 Примерно kmax = 1 / λ B {\ displaystyle k _ {\ rm {max}} = 1 /.>- это максимальный или обрезанное волновое число, развивающее из-за двойных столкновений, и может изменяться в зависимости от вида иона. \ lambda _ {\ rm {B}}}{\ displaystyle k_ { \ rm {max}} = 1 / \ lambda _ {\ rm {B}}} когда k BT e>Z я 2 E h {\ displaystyle k _ {\ rm {B}} T _ {\ rm {e} }>Z_ {i} ^ {2} E _ {\ rm {h}}}{\displaystyle k_{\rm {B}}T_{\rm {e}}>Z_ {i} ^ {2} E _ {\ rm {h}}} (типично для не слишком холодной плазмы), где E h ≈ 27,2 {\ displaystyle E _ {\ rm {h}} \ приблизительно 27,2}{\ displaystyle E _ {\ rm {h}} \ приблизительно 27,2} эВ - это энергия Хартри, а λ B = ℏ / (Mek BT ​​е) 1/2 {\ displaystyle \ lambda _ {\ rm {B}} = \ hbar / (m _ {\ rm {e}} k _ {\ rm {B}} T _ {\ rm {e}}) ^ {1/2}}{\ displaystyle \ lambda _ {\ rm {B }} = \ hbar / (m _ {\ rm {e}} к _ {\ rm {B}} T _ {\ rm {e}}) ^ {1/2}} - электронная тепловая длина волны де Бройля. В случае потери kmax ∝ 1 / l C {\ displaystyle k _ {\ rm {max}} \ propto 1 / l _ {\ rm {C}}}{\ Displaystyle к _ {\ rm {max}} \ propto 1 / l _ {\ rm {C}}} где l C {\ displaystyle l _ {\ rm {C}}}{\ displaystyle l _ {\ rm {C}}} - классическое кулоновское расстояние ближайшего сближения.

Для обычного случая km = 1 / λ B {\ displaystyle k_ { m} = 1 / \ lambda _ {B}}k_ {m} = 1 / \ лямбда _ {B} , находим

y = 1 2 [ℏ ω k BT e] 2. {\ displaystyle y = {1 \ over 2} \ left [ {\ frac {\ hbar \ omega} {k _ {\ rm {B}} T_ {e}}} \ right] ^ {2}.}{\ displaystyle y = {1 \ over 2} \ left [{\ frac {\ hbar \ omega} {k _ {\ rm {B}} T_ {e}}} \ right] ^ {2}.}

Формула для d PB r / d ω {\ displaystyle dP _ {\ mathrm {Br}} / d \ omega}dP _ {\ mathrm {Br}} / d \ omega является приблизительной, поскольку в ней не учитывается усиленное излучение, разлагающее для ω {\ displaystyle \ omega}\ omega немного выше ω p {\ displaystyle \ omega _ {\ rm {p}}}{\ displaystyle \ omega _ {\ rm {p}}} .

В пределах y ≪ 1 {\ displaystyle y \ ll 1}y \ ll 1 , мы можем аппроксимировать E 1 {\ displaystyle E_ {1}}E_{1}как E 1 (y) ≈ - ln ⁡ [ye γ] + O (Y) {\ Displaystyle E_ {1} (y) \ приблизительно - \ ln [ye ^ {\ gamma}] + O (y)}E_ {1} (y) \ приблизительно - \ ln [ye ^ {\ ga mma}] + O (y) где γ ≈ 0,577 {\ displaystyle \ gamma \ приблизительно 0,577}\ gamma \ приблизительно 0,577 - константа Эйлера - Маскерони. Часто используется главный логарифмический член, который напоминает кулоновский логарифм, который используется в других расчетах столкновительной плазмы. Для y>e - γ {\ displaystyle y>e ^ {- \ gamma}}y>e ^ {- \ gamma} логарифм отрицательный, и приближение явно неадекватное. 176>Полная плотность мощности излучения, проинтегрированная по всем частотам, составляет

PB r = ∫ ω p ∞ d ω d PB rd ω = 16 3 [e 2 4 π ε 0] 3 1 me 2 c 3 Z i 2 ninekmax G (yp) G (yp) знак равно 1 2 π ∫ yp ∞ dyy - 1 2 [1 - ypy] 1 2 E 1 (y) yp = y (ω = ω p) {\ displaystyle {\ begin {align} P _ {\ mathrm {Br}} = \ int _ {\ omega _ {\ rm {p}}} ^ {\ infty} d \ omega {dP _ {\ mathrm {Br}} \ over d \ omega} = {16 \ over 3} \ left [{e ^ {2} \ over 4 \ pi \ varepsilon _ {0}} \ right] ^ {3} {1 \ over m_ {e} ^ {2} c ^ {3 }} Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} k _ {\ rm {max}} G (y _ {\ rm {p}}) \\ G (y_ {p}) ={1 \ over 2 {\ sqrt {\ pi}}} \ int _ {y _ {\ rm {p}}} ^ {\ infty} dy \, y ^ {- {\ frac {1} {2}} } \ left [1- {y _ {\ rm {p}} \ over y} \ right] ^ {\ frac {1} {2}} E_ {1} (y) \\ y _ {\ rm {p }} = y (\ omega = \ omega _ {\ rm {p}}) \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} P _ {\ mathrm {Br}} = \ int _ { \ omega _ {\ rm {p}}} ^ {\ infty} d \ omega {dP _ {\ mathrm {Br}} \ over d \ omega} = {16 \ over 3} \ left [{e ^ {2} \ over 4 \ pi \ varepsilon _ {0}} \ right] ^ {3} {1 \ over m_ {e} ^ {2} c ^ {3}} Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {е } k _ {\ rm {max}} G (y _ {\ rm {p}}) \\ G (y_ {p}) = {1 \ over 2 {\ sqrt {\ pi}}} \ int _ {y_ {\ rm {p}}} ^ {\ infty} dy \, y ^ {- {\ frac {1} {2}}} \ left [1- {y _ {\ rm {p}} \ over y} \ справа] ^ {\ frac {1} {2}} E_ {1} (y) \\ y _ {\ rm {p}} = y (\ omega = \ omega _ {\ rm {p}}) \ end {выровнено}}}
G (yp = 0) = 1 {\ displaystyle G (y _ {\ rm {p }} = 0) = 1}{\ displaystyle G (y _ {\ rm {p}} = 0) = 1} и уменьшается на yp {\ displaystyle y _ {\ rm {p}}}{\ displaystyle y _ {\ rm {p}}} ; это всегда положительно. Для kmax = 1 / λ B {\ displaystyle k _ {\ rm {max}} = 1 / \ lambda _ {\ rm {B}}}{\ displaystyle k_ { \ rm {max}} = 1 / \ lambda _ {\ rm {B}}} , мы находим
PB r Знак равно 16 3 (е 2 4 π ε 0) 3 (МЭК 2) 3 2 ℏ Z я 2 девять (к BT е) 1 2 G (yp) {\ displaystyle P _ {\ mathrm {Br}} = {16 \ более 3} {\ left ({\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}}} \ right) ^ {3} \ over (m_ {e} c ^ {2}) ^ {\ гидроразрыв {3} {2}} \ hbar} Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} (k _ {\ rm {B}} T_ {e}) ^ {\ frac {1 } {2}} G (y _ {\ rm {p}})}{\ displaystyle P _ {\ mathrm {Br}} = {16 \ over 3} {\ left ({\ frac {e ^ {2}} {4 \ pi \ varepsilon _ {0}} \ right) ^ {3} \ over (m_ {e} c ^ {2}) ^ {\ frac {3} {2}} \ hbar} Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} (k _ {\ rm {B}} T_ {e}) ^ {\ frac {1} {2}} G (y _ {\ rm {p}})}

Обратите внимание на появление ℏ {\ displaystyle \ hbar}\ hbar из-за квантовой природы λ В {\ Displaystyle \ lambda _ {\ rm {B}}}{\ displaystyle \ lambda _ {\ rm {B}}} . В практических измерениях обычно используется версия этой формулы для G = 1 {\ displaystyle G = 1}G = 1 :

PB r [Вт / м 3] = Z i 2 девять [7,69 × 10 18 м - 3] 2 T e [эВ] 1 2. {\ displaystyle P _ {\ mathrm {Br}} [{\ textrm {W}} / {\ textrm {m}} ^ {3}] = {Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} \ over \ left [7,69 \ times 10 ^ {18} {\ textrm {m}} ^ {- 3} \ right] ^ {2 }} T_ {e} [{\ textrm {eV}}] ^ {\ frac {1} {2}}.}{\ displaystyle P _ {\ mathrm { Br}} [{\ textrm {W}} / {\ textrm {m}} ^ {3}] = {Z_ {i} ^ {2} n_ {i} n_ {e} \ over \ left [7,69 \ раз 10 ^ {18} {\ textrm {m}} ^ {- 3} \ right] ^ {2}} T_ {e} [{\ textrm {eV}}] ^ {\ frac {1} {2}}. }

Эта формула в 1,59 раза больше, чем указанная выше, с различием из-за деталей двоичных конфликтов. Такая неоднозначность часто выражается введением фактор Гаунта g B {\ displaystyle g _ {\ rm {B}}}{\ displaystyle g _ {\ rm {B}}} , например находим

ε ff = 1,4 × 10–27 T 1 2 neni Z 2 g B, {\ displaystyle \ varepsilon _ {\ mathrm {ff}} = 1,4 \ times 10 ^ {- 27} T ^ {\ frac {1} {2}} n_ {e} n_ {i} Z ^ {2} g _ {\ rm {B}}, \,}{\ displaystyle \ varepsilon _ {\ mathrm {ff}} = 1,4 \ times 10 ^ {- 27} T ^ {\ frac {1} {2}} n_ {e} n_ {i} Z ^ {2} g _ {\ rm {B}}, \,}

, где все выражено в единицах CGS.

Релятивистские поправки

Релятивистские поправки к излучению фотона с энергией 30 кэВ электроном, падающим на протон.

Для очень высоких температур есть релятивистские поправки к этой формуле, есть дополнительные компоненты порядка k BT e / mec 2. {\ displaystyle k _ {\ rm {B}} T_ {e} / m_ {e} c ^ {2} \,.}{\ displaystyle k _ {\ rm {B}} T_ {e} / m_ {e} c ^ {2} \,.}

Тормозное охлаждение

Если плазма оптически тонкая, тормозное излучение покидает плазму, унося часть внутренней энергии плазмы. Этот эффект известен как охлаждение тормозным излучением. Это разновидность радиационного охлаждения. Энергия, уносимая тормозным излучением, называется потерями на тормозное излучение и представляет собой разновидность. Обычно термин "сокращение на тормозное охлаждение" используется в подходящем плазме, например, в термоядерной плазме.

Поляризационное тормозное излучение

Поляризационное тормозное излучение (иногда называемое «атомным тормозным излучением») - это излучение электронами мишени, когда атом мишени поляризуется кулоновским полем падающая заряженная частица. Поляризационные вклады тормозного излучения в полный спектр тормозного излучения наблюдаются в экспериментах с относительно массивными падающими частями, резонансными процессами и свободными атомами. Тем не менее, до сих пор ведутся споры о том, есть ли значительный вкладыш поляризационного тормозного излучения в экспериментах с быстрыми электронами, падающими на твердые мишени.

Следует отметить, что термин «поляризационный» не означает, что излучаемое тормозное излучение поляризовано. Кроме того, угловое распределение поляризационного тормозного излучения значительно отличается от обычного тормозного излучения.

Источники

Рентгеновская трубка

Спектргеновского излучения, испускаемого X-лучевая трубка с мишенью из родии , работающая при 60 кВ. Непрерывная кривая обусловлена ​​тормозным излучением, а всплески - это характеристики K-линии для родия. Кривая стремится к нулю в 21 pm в соответствии с законом Дуэйна-Ханта, как описано в тексте.

В рентгеновской трубке, электроны ускоряются в вакууме электрическим полем в направлении куска металла, называемого «мишенью». Рентгеновские лучи излучаются, когда электроны замедляются (замедляются) в металле. Выходной спектр из непрерывного рентгеновских лучей с дополнительными резкими пиками при определенных энергиях. Непрерывный спектр обусловлен тормозным излучением, острые пики - это характерное рентгеновское излучение, связанное с атомами в мишени. По этой причине тормозное излучение в данном контексте называется непрерывным рентгеновским излучением .

Форма этого непрерывного излучения описывается закономерностью Крамерса.

Формула закона Крамерса обычно имеет вид размерности (количество фотонов) I { \ displaystyle I}I от длины волны λ {\ displaystyle \ lambda}\ lambda испускаемое излучение:

я (λ) d λ знак равно К (λ λ мин - 1) 1 λ 2 d λ {\ displaystyle I (\ lambda) \, d \ lambda = K \ left ({\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {\ min}}} - 1 \ справа) {\ frac {1} {\ lambda ^ {2}}} \, d \ lambda}{\ displaystyle I (\ lambda) \, d \ lambda = K \ left ({\ frac {\ lambda} {\ lambda _ {\ min}}} - 1 \ right) {\ frac {1} {\ lambda ^ {2}}} \, d \ lambda}

Константа K пропорциональна атомный номер целевого элемента, а λ min {\ displaystyle \ lambda _ {\ min}}\ lambda _ {\ min} - минимальная длина волны, определяемая законом Дуэйна - Ханта.

Спектр резкое обрезание на λ min {\ displaystyle \ lambda _ {\ min}}\ lambda _ {\ min} , что связано с ограниченной энергией входящих электронов. Например, если электрон в трубке ускоряется до 60 кВ, то он приобретает кинетическую энергию 60 кэВ, и при попадании в цель он может создать рентгеновские лучи. с энергией не более 60 кэВ по закону сохранения энергии. (Этот верхний предел соответствует остановке электрона, испускающий только один рентгеновский фотон. Обычно электрон испускает много фотонов, каждый из которых имеет энергию менее 60 кэВ.) Фотон с энергией максимум 60 кэВ имеет длину волны не менее 21 пм, непрерывный спектр рентгеновских лучей имеет именно такое обрезание, как видно на графике. В более общем плане формула для низковолновой отсечки, закон Дуэйна-Ханта, выглядит так:

λ min = hce V ≈ 1239,8 В пм / кВ {\ displaystyle \ lambda _ {\ min} = {\ frac {hc} {эВ}} \ приблизительно {\ frac {1239.8} {V}} {\ text {pm / kV}}}{\ displaystyle \ lambda _ {\ min} = {\ frac {hc} {eV}} \ приблизительно {\ frac {1239.8} {V}} {\ text {pm / kV}}}

где h - постоянная Планка, c - скорость света, V - напряжение, через которое ускоряются электроны, e - элементарный заряд, а pm - пикометров.

Бета-распад

Вещества, излучающие бета-частицы, иногда демонстрируют слабое излучение с непрерывным спектром, вызванное тормозным излучением (см. «Внешнее тормозное излучение» ниже). В этом контексте тормозного излучения представляет собой тип «вторичного излучения», поскольку оно возникает в результате остановки (или замедления) первичного излучения (бета-частиц ). Это очень похоже на рентгеновское излучение, получаемое при помощи металлических мишеней электронами в генераторах рентгеновского излучения (как указано выше), за исключением того, что оно производит высокоскоростными электронами из бета-излучения.

Внутреннее и внешнее тормозное излучение

«Внутреннее» тормозное излучение (также известное как «внутреннее тормозное излучение») возникает в результате создания электрона и потери им энергии (из-за сильного электрическое поле в области распада ядра), когда оно покидает ядро. Такое излучение является особенностью бета-распада в ядрах, но иногда (реже) наблюдается в бета-распаде свободных нейтронов на протоны, где оно создается, когда бета-электрон покидает протон.

При испускании электронов и позитронов в результате бета-распада энергия фотона исходит от пары электрон- нуклон, причем спектр тормозного излучения непрерывно увеличивается с размером энергии бета-частица. При захвате электронов энергия поступает за счет нейтрино, а спектр максимален примерно при одной трети нормальной энергии нейтрино, уменьшаясь до нулевой электромагнитной энергии при нормальной энергии нейтрино. Обратите внимание, что в случае электронного захвата тормозное движение испускается, даже если заряженная частица не испускается. Вместо этого, тормозное излучение можно рассматривать как создаваемое, когда захваченный электрон ускоряется в поглощении. Такое излучение может иметь частоты, которые аналогичны мягкому гамма-излучению, но оно не демонстрирует ни одной из резких спектральных линий гамма-распада, и, таким образом, технически не является гамма-излучением.

Внутренний процесс следует противопоставить «внешнему» тормозному излучению из-за столкновения с ядром электронов, приходящих извне (т. Е. Испускаемых другим ядром), как обсуждалось выше.

Радиационная безопасность

В некоторых случаях, например . P, тормозное излучение, создаваемое экранированием бета-излучения обычно используемыми плотными материалами (например, свинцом ), само по себе опасно; в таких случаях экранирование должно выполняться материалами с низкой плотностью, например оргстекло (люцит ), пластик, дерево или вода ; поскольку атомный номер этих материалов ниже, интенсивность тормозного излучения значительно снижается, но для остановки электронов (бета-излучения) требуется большая толщина экранирования.

В астрофизике

Доминирующим световым компонентом в скоплении галактик является температура от 10 до 10 кельвинов внутри скопления. Излучение внутрикластерной среды характеризуется тепловым тормозным излучением. Это излучение находится в энергетическом диапазоне рентгеновских лучей, и его можно легко наблюдать с помощью космических телескопов, таких как рентгеновская обсерватория Чандра, XMM-Newton, ROSAT, ASCA, EXOSAT, Suzaku, RHESSI и будущие миссии, такие как IXO [1 ] и Astro-H [2].

Тормозное излучение также является доминирующим механизмом излучения для областей H II на радиоволнах.

В электрических разрядах

В электрических разрядах, например в лабораторных разрядах между двумя электродами или в виде разрядов молнии между облаком и землей или внутри облаков, электроны производят тормозные фотоны, рассеиваясь на молекулах воздуха. Эти фотоны проявляются в земных гамма-вспышках и являются источником пучков электронов, позитронов, нейтронов и протонов. Появление тормозных фотонов также влияет на распространение и морфологию разрядов в азотно-кислородных смесях с низким процентным содержанием кислорода.

Квантово-механическое описание

Полное квантово-механическое описание было впервые выполнено Бете и Гайтлер. Они предположили, что для электронов рассеиваются в ядре атома плоские волны, и получили поперечное сечение, которое связывает полную геометрию этого процесса с частотой испускаемого фотона. Четырехкратное дифференциальное сечение, которое показывает квантово-механическую симметрию образования пар , составляет:

d 4 σ = Z 2 α штраф 3 ℏ 2 (2 π) 2 | p f | | p i | d ω ω d Ω i d Ω f d Φ | q | 4 × [pf 2 sin 2 ⁡ Θ f (E f - c | pf | cos ⁡ Θ f) 2 (4 E i 2 - c 2 q 2) + pi 2 sin 2 ⁡ Θ i (E i - c | pi | cos ⁡ Θ i) 2 (4 E f 2 - c 2 q 2) + 2 ℏ 2 ω 2 pi 2 sin 2 ⁡ Θ i + pf 2 sin 2 ⁡ Θ f (E f - c | pf | cos ⁡ Θ f) (E i - c | pi | cos ⁡ Θ i) - 2 | p i | | p f | sin ⁡ Θ i sin ⁡ Θ f cos ⁡ Φ (E f - c | pf | cos ⁡ Θ f) (E i - c | pi | c 1 cos ⁡ Θ i) (2 E i 2 + 2 E f 2 - c 2 q 2)]. {\ displaystyle {\ begin {align} d ^ {4} \ sigma = {} {\ frac {Z ^ {2} \ alpha _ {\ text {fine}} ^ {3} \ hbar ^ {2}} {(2 \ pi) ^ {2}}} {\ frac {\ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right |} {\ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right |}} {\ frac {d \ omega} {\ omega}} {\ frac {d \ Omega _ {i} \, d \ Omega _ {f} \, d \ Phi} {\ left | \ mathbf {q} \ right | ^ {4}}} \\ {} \ times \ left [{\ frac {\ mathbf {p} _ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {f}} {\ left ( E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f} \ right) ^ {2}}} \ left (4E_ {i} ^ {2} - c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) + {\ frac {\ mathbf {p} _ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}} {\ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}} \ left (4E_ {f} ^ {2 } -c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) \ right. \\ {} + 2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} {\ frac {\ mathbf {p} _ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} + \ mathbf {p} _ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {f}} {(E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f}) \ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \\ {} - осталось 2. {\ frac {\ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ sin \ Theta _ {i} \ sin \ Theta _ {f} \ cos \ Phi} {\ left (E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f} \ right) \ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | c1 \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \ left (2E_ { i} ^ {2} + 2E_ {f} ^ {2} -c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) \ right]. \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} d ^ {4} \ sigma = {} {\ frac {Z ^ {2} \ alpha _ { \ text {fine}} ^ {3} \ hbar ^ {2}} {(2 \ pi) ^ {2}}} {\ frac {\ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right |} { \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right |}} {\ frac {d \ omega} {\ omega}} {\ frac {d \ Omega _ {i} \, d \ Omega _ {f} \, d \ Phi} {\ left | \ mat hbf {q} \ right | ^ {4}}} \\ {} \ times \ left [{\ frac {\ mathbf {p} _ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ { f}} {\ left (E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f} \ right) ^ {2}}} \ left (4E_ { i} ^ {2} -c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) + {\ frac {\ mathbf {p} _ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}} {\ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}} \ left ( 4E_ {f} ^ {2} -c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) \ right. \\ {} + 2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} {\ гидроразрыв {\ mathbf {p} _ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} + \ mathbf {p} _ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {f}} {(E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f}) \ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \\ {} - 2 \ left. {\ frac {\ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ sin \ Theta _ {i} \ sin \ Theta _ {f} \ cos \ Phi} {\ left (E_ {f} -c \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {f} \ right) \ left (E_ {i} -c \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | c1 \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \ left (2E_ {i} ^ {2} + 2E_ {f} ^ {2} -c ^ {2} \ mathbf {q} ^ {2} \ right) \ right]. \ end {align}}}

Там Z {\ displaystyle Z}Z- атомный номер , α fine ≈ 1/137 {\ displ aystyle \ alpha _ {\ text {fine}} \ приблизительно 1/137}\ alpha _ {\ text {fine}} \ примерно 1/137 постоянная тонкой структуры структуры, ℏ {\ displaystyle \ hbar}\ hbar уменьшенная постоянная Планка и c {\ displaystyle c}c скорость света. Кинетическая энергия E kin, i / f {\ displaystyle E _ {{\ text {kin}}, i / f}}E _ {{\ text {kin}}, i / f} электрона в начальном и конечном состоянии связано с его полной энергией Е я, е {\ displaystyle E_ {i, f}}E_ {i, f} или его momenta пи, f {\ displaystyle \ mathbf {p} _ {i, f}}\ mathbf {p} _ {i, f} через

E i, f = E kin, i / f + mec 2 = me 2 c 4 + pi, f 2 c 2, {\ displaystyle E_ {i, f} = E _ { {\ text {kin}}, i / f} + m_ {e} c ^ {2} = {\ sqrt {m_ {e} ^ {2} c ^ {4} + \ mathbf {p} _ {i, f} ^ {2} c ^ {2}}},}{\ displaystyle E_ {i, f} = E _ {{\ text {kin}}, i / f } + m_ {e} c ^ {2} = {\ sqrt {m_ {e} ^ {2} c ^ {4} + \ mathbf {p} _ {i, f} ^ {2} c ^ {2} }},}

где me {\ displaystyle m_ {e}}m_ {e} - масса электрона. Сохранение энергии дает

E f = E i - ℏ ω, {\ displaystyle E_ {f} = E_ {i} - \ hbar \ omega,}{\ displaystyle E_ {f} = E_ {i} - \ hbar \ omega, }

где ℏ ω { \ displaystyle \ hbar \ omega}\ hbar \ omega - энергия фотона. Направления испускаемого фотона и рассеянного электрона задаются формулами

Θ i = ∢ (pi, k), f = ∢ (pf, k), Φ = угол между плоскостями (pi, k) и (pf, к), {\ displaystyle {\ begin {align} \ Theta _ {i} = \ sphericalangle (\ mathbf {p} _ {i}, \ mathbf {k}), \\\ Theta _ {f} = \ sphericalangle (\ mathbf { p} _ {f}, \ mathbf {k}), \\\ Phi = {\ text {Угол между плоскостями}} (\ mathbf {p} _ {i}, \ mathbf {k}) {\ text { и}} (\ mathbf {p} _ {f}, \ mathbf {k}), \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} \ Theta _ {i} = \ sphericalangle (\ mathbf {p} _ {i}, \ mathbf {k}), \ \\ Theta _ {f} = \ sphericalangle ( \ mathbf {p} _ {f}, \ mathbf {k}), \\\ Phi = {\ text {Угол между плоскостями}} (\ mathbf {p} _ {i}, \ mathbf {k}) {\ текст {и}} (\ mathbf {p} _ {f}, \ mathbf {k}), \ end {align}}}

где k {\ displaystyle \ mathbf {k}}\ mathbf {k} - импульс фотона.

Дифференциалы задаются как

d Ω i = sin ⁡ Θ i d Θ i, d Ω f = sin ⁡ Θ f d ​​Θ f. {\ Displaystyle {\ begin {выровнены} d \ Omega _ {i} = \ sin \ Theta _ {i} \ d \ Theta _ {i}, \\ d \ Omega _ {f} = \ sin \ Theta _ {f} \ d \ Theta _ {f}. \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} d \ Omega _ {i} = \ sin \ Theta _ {i} \ d \ Theta _ {i}, \\ d \ Omega _ {f} = \ sin \ Theta _ {f} \ d \ Theta _ {f}. \ end {align}}}

абсолютное значение виртуального фотона между ядром и электроном составляет

- q 2 = - | p i | 2 - | p f | 2 - (ℏ c ω) 2 + 2 | p i | c ω cos ⁡ Θ i - 2 | p f | c ω cos ⁡ Θ f + 2 | p i | | p f | (cos ⁡ Θ f cos ⁡ Θ i + sin ⁡ Θ f sin ⁡ Θ i cos ⁡ Φ). {\ displaystyle {\ begin {align} - \ mathbf {q} ^ {2} = {} - \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | ^ {2} - \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | ^ {2} - \ left ({\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ right) ^ {2} +2 \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ cos \ Theta _ {i} -2 \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ cos \ Theta _ {f} \\ {} + 2 \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ left (\ cos \ Theta _ {f} \ cos \ Theta _ {i} + \ sin \ Theta _ {f} \ sin \ Theta _ {i} \ cos \ Phi \ right). \ end {выравнивается}}}{\ displaystyle {\ begin {align} - \ mathbf {q} ^ {2} = {} - \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | ^ {2} - \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | ^ {2} - \ left ({\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ right) ^ {2} +2 \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ cos \ Theta _ {i} -2 \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ cos \ Theta _ {f} \\ {} + 2 \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ left (\ cos \ Theta _ {f} \ cos \ Theta _ {i} + \ sin \ Theta _ {f} \ sin \ Theta _ {i} \ cos \ Phi \ right). \ end {align}}}

Диапазон достоверности определяется приближением Борна

v ≫ Z c 137 {\ displaystyle v \ gg {\ frac {Zc} {137}}}{\ displaystyle v \ gg {\ frac {Zc} {137}}}

, где это соотношение для продуктов скорости v {\ displaystyle v}v электрона в начальном и конечном состоянии.

Для практических приложений (например, в кода Монте-Карло ) может быть интересно сосредоточиться на использовании между ω {\ displaystyle \ omega}\ omega испускаемого фотона и угол между этим фотоном и падающим электроном. Кён и Эберт интегрировали четырехкратное дифференциальное сечение Бете и Гайтлера по Φ {\ displaystyle \ Phi}\ Phi и Θ f {\ displaystyle \ Theta _ {f}}\ Theta _ {f} и получили:

d 2 σ (E я, ω, Θ я) d ω d Ω я знак равно ∑ J = 1 6 I j {\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ sigma (E_ {i}, \ omega, \ Theta _ {i})} {d \ omega \, d \ Omega _ {i}}} = \ sum \ limits _ {j = 1} ^ {6} I_ {j}}{\ displaystyle {\ frac {d ^ {2} \ sigma (E_ {i}, \ omega, \ Theta _ {i})} {d \ omega \, d \ Omega _ {i}}} = \ sum \ limits _ {j = 1} ^ {6} I_ {j}}

с

I 1 = 2 π A Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i ln ⁡ (Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i - Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i (Δ 1 + Δ 2) + Δ 1 Δ 2 - Δ 2 2 - 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i - Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i (Δ 1 - Δ 2) + Δ 1 Δ 2) × [1 + c Δ 2 pf (E i - cpi cos ⁡ i) - pi 2 c 2 sin 2 ⁡ Θ i (E i - cpi cos ⁡ Θ i) 2 - 2 ℏ 2 ω 2 pf Δ 2 c (E i - cpi cos ⁡ Θ i) (Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i)], I 2 = - 2 π A cpf (E i - cpi cos ⁡ Θ i) ln ⁡ (E f + pfc E f - pfc), I 3 = 2 π A (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 4 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i × ln ⁡ [([E f + pfc] [4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i (E f - pfc) + (Δ 1 + Δ 2) ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc] - [Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 + 4 ì 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i)]) [(E f - pfc) (4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i [- E f - pfc] + (Δ 1 - Δ 2) ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc] - (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i])] - 1 × [- (Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) (E f 3 + E fpf 2 c 2) + pfc (2 [Δ 1 2 - 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i] E fpfc + Δ 1 Δ 2 [3 E f 2 + pf 2 c 2]) (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i - c (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) pf (E i - cpi cos ⁡ Θ i) - 4 E i 2 pf 2 (2 [Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 - 4 м 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) (Δ 1 E f + Δ 2 pfc) ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 + 4 м 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) 2 + 8 pi 2 pf 2 m 2 c 4 sin 2 ⁡ Θ i (E i 2 + E f 2) - 2 ℏ 2 ω 2 pi 2 sin 2 ⁡ Θ ipfc (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) + 2 ℏ 2 ω 2 pfm 2 c 3 (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) (E i - cpi cos ⁡ Θ i) ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc ] 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i)], I 4 = - 4 π A pfc (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i - 16 π E i 2 pf 2 A (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 2 ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) 2, I 5 = 4 π A (- Δ 2 2 + Δ 1 2 - 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) ([Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) × [ℏ 2 ω 2 pf 2 E i - cpi cos ⁡ Θ i × E f (2 Δ 2 2 [Δ 2 2 - Δ 1 2] + 8 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i [Δ 2 2 + Δ 1 2]) + pfc (2 Δ 1 Δ 2 [Δ 2 2 - Δ 1 2] + 16 Δ 1 Δ 2 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i) Δ 2 2 + 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i + 2 ℏ 2 ω 2 pi 2 sin 2 ⁡ Θ i (2 Δ 1 Δ 2 pfc + 2 Δ 2 2 E f + 8 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i E f) E i - cpi cos ⁡ Θ i + 2 E i 2 pf 2 (2 [Δ 2 2 - Δ 1 2] [Δ 2 E f + Δ 1 pfc] 2 + 8 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i [(Δ 1 2 + Δ 2 2) (E f 2 + pf 2 c 2) + 4 Δ 1 Δ 2 E fpfc]) (Δ 2 E f + Δ 1 pfc) 2 + 4 m 2 c 4 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i + 8 pi 2 pf 2 sin 2 ⁡ Θ i (E i 2 + E f 2) (Δ 2 pfc + Δ 1 E f) E i - cpi cos ⁡ Θ i], I 6 = 16 π E f 2 pi 2 sin 2 ⁡ Θ i A (E i - cpi соз ⁡ Θ я) 2 (- Δ 2 2 + Δ 1 2 - 4 пи 2 пф 2 грех 2 ⁡ Θ я), {\ displaystyle {\ begin {align} I_ {1} = {} {\ frac {2 \ pi A} {\ sqrt {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}}} \ ln \ left ({\ frac {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2 } p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} - {\ sqrt {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ left (\ Delta _ {1} + \ Delta _ {2} \ right) + \ Delta _ {1} \ Delta _ {2}} {- \ Delta _ {2} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} - {\ sqrt {\ Delta _ { 2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ left (\ Delta _ {1} - \ Delta _ {2} \ right) + \ Delta _ {1} \ Delta _ {2}}} \ right) \\ {} \ times \ left [1 + {\ frac {c \ Delta _ {2}} {p_ {f} \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} - {\ frac {p_ {i} ^ {2} c ^ {2} \ sin ^ { 2} \ Theta _ {i}} {\ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}} - {\ frac {2 \ hbar ^ {2 } \ omega ^ {2} p_ {f} \ Delta _ {2}} {c \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ Delta _ { 2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i } \ right)}} \ right], \\ I_ {2} = {} - {\ frac {2 \ pi Ac} {p_ {f} \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \ ln \ left ({\ frac {E_ {f} + p_ {f}) c} {E_ {f} -p_ {f} c}} \ right), \\ I_ {3} = {} {\ frac {2 \ pi A} {\ sqrt {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {4} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}}} \ times \ ln \ left [\ left (\ left [E_ {f} + p_ {f} c \ right] \ right. \ верно. \\ \ осталось. \ left [4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {f} -p_ {f} c \ right) + \ left (\ Delta _ {1} + \ Delta _ {2} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] - { \ sqrt {\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ right) \ right] \ right) \\ \ left [\ left (E_ {f} -p_ {f} c \ right) \ left (4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [-E_ {f} -p_ {f } c \ right] \ right. \ right. \\ {} + \ left. \ left. \ left (\ Delta _ {1} - \ Delta _ {2} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] - {\ sqrt {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ { f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ s в ^ {2} \ Theta _ {i} }} \ right] \ right) \ right] ^ {- 1} \\ {} \ times \ left [- {\ frac {\ left (\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Th eta _ {i} \ right) \ left (E_ {f} ^ {3} + E_ {f} p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ right) + p_ {f} c \ left (2 \ left [\ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right] E_ {f} p_ {f} c + \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} \ left [3E_ {f} ^ {2} + p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ right] \ right)} { \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2 } p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ right. \\ {} - {\ frac {c \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right)} {p_ {f} \ left (E_ { i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} - {\ frac {4E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ left (2 \ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} -4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ Delta _ {1} E_ {f} + \ Delta _ {2} p_ {f} c \ right)} {\ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}} \\ {} + \ left. {\ frac {8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} m ^ {2} c ^ {4} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {i} ^ {2} + E_ {f} ^ {2} \ right) -2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} p_ {f} c \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) +2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {f} m ^ {2} c ^ {3} \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Дельта _ {1} p_ {f} c \ right)} {\ left (E_ {i} -cp_ { i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}} \ right], \\ I_ { 4} = {} {} - {\ frac {4 \ pi Ap_ {f} c \ left (\ Дельта _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right)} {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ { 2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} - {\ frac {16 \ pi E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} A \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ справа) ^ {2}} {\ left (\ left [\ De lta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f } ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}}, \\ I_ {5} = {} {\ frac {4 \ pi A} {\ left ( - \ Delta _ {2} ^ {2} + \ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i } \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}} \\ {} \ times \ left [{\ frac {\ hbar ^ {2} \ ome ga ^ {2} p_ {f} ^ {2}} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i}}} \ right. \\ {} \ times {\ frac {E_ {f} \ left (2 \ Delta _ {2} ^ {2} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} + \ Дельта _ {1} ^ {2} \ вправо] \ вправо) + p_ {f} c \ влево (2 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] +16 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)} {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} }} \\ {} + {\ frac {2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (2 \ Дельта _ {1} \ Delta _ {2} p_ {f} c + 2 \ Delta _ {2} ^ {2} E_ {f} + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} E_ {f} \ right)} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i}}} \\ {} + {\ frac {2E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ left (2 \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] \ left [\ Дельта _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [\ left (\ Delta _ {1} ^ {2} + \ Delta _ {2} ^ {2 } \ right) \ left (E_ {f} ^ {2} + p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ вправо) +4 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} E_ {f} p_ {f} c \ right] \ right)} {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} п _ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ { 2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \\ {} + \ left. {\ frac {8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {i} ^ {2} + E_ {f} ^ { 2} \ right) \ left (\ Delta _ {2} p_ {f} c + \ Delta _ {1} E_ {f} \ right)} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ { i}}} \ right], \\ I_ {6} = {} {\ frac {16 \ pi E_ {f} ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} A} {\ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2} \ left (- \ Delta _ {2} ^ {2} + \ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}}, \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align} I_ { 1} = {} {\ frac {2 \ pi A} {\ sqrt {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ { 2} \ Theta _ {i}}}} \ ln \ left ({\ frac {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} - {\ sqrt {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ left (\ Delta _ {1} + \ Delta _ {2} \ right) + \ Delta _ {1} \ Delta _ {2}} {- \ Delta _ {2} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} - {\ sqrt {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ left (\ Delta _ {1} - \ Delta _ {2} \ right) + \ Delta _ {1 } \ Delta _ {2}}} \ right) \\ {} \ times \ left [1 + {\ frac { c \ Delta _ {2}} {p_ {f} \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} - {\ frac {p_ {i} ^ {2 } c ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}} {\ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}} - {\ frac {2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {f} \ Delta _ {2}} {c \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}} \ right], \\ I_ {2} = {} - {\ frac {2 \ pi Ac} {p_ {f} \ left (E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} \ ln \ left ({\ frac {E_ {f} + p_ {f} c} {E_ {f} -p_ {f} c}} \ right), \\ I_ {3} = {} {\ frac {2 \ pi A} {\ sqrt {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {4} + 4m ^ { 2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}}} \ times \ ln \ left [\ left (\ left [E_ {f} + p_ {f} c \ right] \ right. \ верно. \\ \ осталось. \ left [4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {f} -p_ {f} c \ right) + \ left (\ Delta _ {1} + \ Delta _ {2} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] - { \ sqrt {\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ right) \ right] \ right) \\ \ left [\ left (E_ {f} -p_ {f} c \ right) \ left (4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [-E_ {f} -p_ {f } c \ right] \ right. \ Right. \\ {} + \ left. \ left. \ left (\ Delta _ {1} - \ Delta _ {2} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] - {\ sqrt {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ { f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}} } \ right] \ right) \ right] ^ {- 1} \\ {} \ times \ left [- {\ frac {\ left (\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ { 2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ The ta _ {i} \ right) \ left (E_ {f} ^ {3} + E_ {f} p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ right) + p_ {f} c \ left (2 \ left [\ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right] E_ {f} p_ {f} c + \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} \ left [3E_ {f} ^ {2} + p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ right] \ right)} { \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2 } p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \ right. \\ {} - {\ frac {c \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right)} {p_ {f} \ left (E_ { i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right)}} - {\ frac {4E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ left (2 \ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ справа] ^ {2} -4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ Delta _ {1} E_ {f} + \ Delta _ {2} p_ {f} c \ right)} {\ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} п_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ справа) ^ {2}}} \\ {} + \ left. {\ frac {8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} m ^ {2} c ^ {4} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {i} ^ {2} + E_ {f} ^ {2} \ right) -2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} p_ {f} c \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) + 2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {f} m ^ {2} c ^ {3} \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right)} {\ left (E_ {i} -cp_ { i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}} \ right], \\ I_ { 4} = {} {} - {\ frac {4 \ pi Ap_ {f} c \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right)} {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ { 2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} - {\ frac {16 \ pi E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} A \ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2}} {\ left (\ left [\ D elta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f } ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right) ^ {2}}}, \\ I_ {5} = {} {\ frac {4 \ pi A} {\ left ( - \ Delta _ {2} ^ {2} + \ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i } \ right) \ left (\ left [\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}} \\ {} \ times \ left [{\ frac {\ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {f} ^ {2}} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i}}} \ right. \\ {} \ times {\ frac {E_ {f} \ left (2 \ Delta _ {2} ^ {2} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} + \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] \ right) + p_ {f} c \ left (2 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] +16 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)} {\ Delta _ {2} ^ {2} + 4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} }} \\ {} + {\ frac {2 \ hbar ^ {2} \ omega ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (2 \ Дельта _ {1} \ Delta _ {2} p_ {f} c + 2 \ Delta _ {2} ^ {2} E_ {f} + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} E_ {f} \ right)} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i}}} \\ {} + {\ frac {2E_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ left (2 \ left [\ Delta _ {2} ^ {2} - \ Delta _ {1} ^ {2} \ right] \ left [\ Дельта _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right] ^ {2} + 8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left [\ left (\ Delta _ {1} ^ {2} + \ Delta _ {2} ^ {2} \ right) \ left (E_ {f} ^ {2} + p_ {f} ^ {2} c ^ {2} \ right) +4 \ Delta _ {1} \ Delta _ {2} E_ {f} p_ {f} c \ right] \ right)} {\ left (\ Delta _ {2} E_ {f} + \ Delta _ {1} p_ {f} c \ right) ^ {2} + 4m ^ {2} c ^ {4} p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i}}} \\ {} + \ left. {\ frac {8p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ left (E_ {i} ^ {2} + E_ {f} ^ { 2} \ right) \ left (\ Delta _ {2} p_ {f} c + \ Delta _ {1} E_ {f} \ right)} {E_ {i} -cp_ {i} \ cos \ Theta _ { i}}} \ right], \\ I_ {6} = {} {\ frac {16 \ pi E_ {f} ^ {2} p_ {i} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} A} {\ left (E_ {i} - cp_ {i} \ cos \ Theta _ {i} \ right) ^ {2} \ left (- \ Delta _ {2} ^ {2} + \ Delta _ {1} ^ {2} -4p_ {i} ^ {2} p_ {f} ^ {2} \ sin ^ {2} \ Theta _ {i} \ right)}}, \ end {align}}}

и

A = Z 2 α штраф 3 (2 π) 2 | p f | | p i | 2 ω Δ 1 = - p i 2 - p f 2 - (ℏ c ω) 2 + 2 ℏ c ω | p i | cos ⁡ Θ i, Δ 2 = - 2 ℏ c ω | p f | + 2 | p i | | p f | cos ⁡ Θ я. {\ displaystyle {\ begin {align} A = {\ frac {Z ^ {2} \ alpha _ {\ text {fine}} ^ {3}} {(2 \ pi) ^ {2}}} {\ гидроразрыв {\ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right |} {\ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right |}} {\ frac {\ hbar ^ {2}} {\ omega}} \\\ Delta _ {1} = - \ mathbf {p} _ {i} ^ {2} - \ mathbf {p} _ {f} ^ {2} - \ left ({\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ right) ^ {2} +2 {\ frac {\ hbar } {c}} \ omega \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i}, \\\ Delta _ {2} = - 2 {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | +2 \ влево | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {i}. \ end {align}}}{\ displaystyle {\ begin {align } A = {\ frac {Z ^ {2} \ альфа _ {\ text {fine}} ^ {3}} {(2 \ pi) ^ {2}}} {\ frac {\ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right |} {\ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right |}} {\ frac {\ hbar ^ {2}} {\ omega}} \\\ Delta _ {1} = - \ mathbf {p} _ {i} ^ {2} - \ mathbf {p} _ {f} ^ {2} - \ left ({\ fr ac {\ hbar} {c}} \ omega \ right) ^ {2} +2 {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ left | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ cos \ Theta _ {i}, \\\ Delta _ {2} = - 2 {\ frac {\ hbar} {c}} \ omega \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | +2 \ влево | \ mathbf {p} _ {i} \ right | \ left | \ mathbf {p} _ {f} \ right | \ cos \ Theta _ {i}. \ end {align}}}

гораздо более простое выражение для тот же самый интеграл можно найти в (уравнение 2BN) и в (уравнение 4.1).

Анализ приведенного выше двойного сечения показывает, что электроны, кинетическая энергия которых больше, чем энергия покоя (511 кэВ), излучают фотоны в прямом направлении, в то время как электроны с небольшой энергией изотропно излучают фотоны.

Электрон-электронное тормозное излучение

Один из механизмов, который считается важным для малых малых номеров Z {\ displaystyle Z}Z, - это рассеяние свободного электрона на электроны оболочки атома или молекулы. Обычное тормозное излучение электрон-ядро - функция Z {\ displaystyle Z}Z, обычное тормозное излучение электрон-ядро - функция Z 2 {\ displaystyle Z ^ {2}}Z ^ {2} электрон-электронное тормозное излучение для металлов незначительно. Однако для воздуха он играет важную роль в производстве земных гамма-вспышек.

См. Также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Найдите bremsstrahlung в Wiktionary, бесплатном качестве.
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: mail@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте
Список материалов:
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26