[科普中国]-轫致辐射

理论诠释

X射线管中高电压加速电子所产生轫致辐射具有连续谱的性质，短波极限λ0由加速电压V决定：

λ0=

式中h为普朗克常数，c为真空中的光速，e为电子电荷，辐射的强度在很宽的频谱范围内缓慢变化。除X射线管中产生的X射线连续谱属于轫致辐射之外，轫致辐射在核聚变反应中也是重要的，β衰变过程中电荷的突然产生或电荷的突然消失（如电子俘获）也伴随有轫致辐射。天文观测中轫致辐射是常见的现象，有一些X射线源的辐射就是由遵循麦克斯韦速度分布律的电子所产生的轫致辐射，由于麦克斯韦分布常在分子热运动中体现，故又称为热轫致辐射。1

产生机理X射线管中高速电子轰击金属靶而骤然减速时就会产生这类X射线。这是因为电子接近原子核时与原子核的库仑场相互作用，电子的运动方向发生偏折，并急剧减速，能量转化成辐射的形式。轫致辐射也泛指带电粒子碰撞过程中发出的辐射。带电粒子的速度远小于光速c时，轫致辐射与电离相比显得并不重要；带电粒子的速度接近光速c时，轫致辐射是其能量损失的主要机制。轫致辐射是产生高能光子束（X射线、γ射线）的基本方法，用这种光子束可研究基本粒子和原子核的电磁结构，以及辐射与物质相互作用过程。1

在相对论状态下，以粒子自身建立一个坐标系，该坐标系和地球坐标系之间进行洛伦兹变换，可得带电粒子辐射公式。

以上三式是考虑了相对论效应后描述轫致辐射的表达式，其中各量表示如下：E电场强度矢量，q带电粒子电量，r观察点与带电粒子距离，c真空中光速， 0真空介电常数，a加速度矢量，er是从带电粒子为圆心指向空间的单位径向矢量，v为带电粒子速度，B磁感应强度矢量，S能流密度矢量， 是粒子前进方向与er的夹角。

由此可见，粒子辐射的能量流多少和粒子加速度的平方成正比，与距离的平方成反比，且辐射方向集中在粒子前进方向的斜前方。

重要特征在库仑碰撞中，轫致辐射的总功率正比于相碰粒子电荷数Z2的乘积，反比于入射粒子质量m2。所以，作为一种能量损失机制，介质元素愈重，入射粒子愈轻，此种效应愈重要。人们研究得最多的是最轻粒子——电子的入射束流在原子核或离子库仑势中散射时的轫致辐射损失。2
在热核聚变反应中，轫致辐射的作用是极为重要的。它引起的能量损失与聚变能的产生皆正比于粒子数密度的二次方，并都是某种随温度T增长的函数，温度较低时前者超过后者，温度较高时后者超过前者。两者之间的竞争决定着得失相当的点火温度。此外，聚变使用的是低电荷数Z的核燃料，由于轫致辐射随Z增加很快，极少量的重离子杂质将迫使点火温度大大提高。这是任何核聚变装置中都要密切注意的问题。2
轫致辐射的一个重要特征是具有连续谱，其强度在很宽的频谱范围内变化缓慢。2

此时经典理论早已不适用。轫致辐射的低频段可用经典电动力学来处理，高频段则需用量子电动力学来计算。非相对论性粒子的轫致辐射方向性不强，轫致辐射是部分偏振的。2

在真空中的粒子带电粒子在真空中有正或负的加速度时，会以电磁辐射的形式释放能量，这在拉莫方程式中及其相对论一般化中所描述。尽管术语“轫致辐射”通常是保留给带电粒子在物质中加速，而不是在真空中，但是方程式是相似的。（在这方面，轫致辐射不同于切伦科夫辐射，切伦科夫辐射是另外一种制动辐射,只发生在物质中，而不是在真空中进行。）

轫致辐射是高能光子成分相当丰富的一种辐射。在高能端，轫致辐射单个光子的能量几乎可以等于高能电子的全部动能。在天体物理学中，轫致辐射泛指一个电子在与正离子发生碰撞而速度突然改变时产生的辐射，这里碰撞电子的能量不一定很高。3

总辐射功率总辐射功率最为确定的相对论公式为：4

轫致辐射的来源X射线管在X射线管中，电子在真空中通过电场被加速并被射入称为“靶”的金属片。X射线被在金属中减速的电子所发射。输出频谱包含X射线的连续频谱，并在一定的能量之处有尖峰。

β衰变发射β粒子的物质有时会表现出有连续光谱的微弱辐射是因为轫致辐射。