Тормозное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Иногда в понятие Тормозное излучение включают также излучение релятивистских заряженных частиц, движущихся в макроскопических магнитных полях (в ускорителях, в космическом пространстве), и называют его магнитотормозным; однако более употребительным в этом случае является термин синхротронное излучение .
Согласно классическом электродинамике, которая достаточно хорошо описывает основные закономерности Тормозное излучение, его интенсивность пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы (см. Излучение ). Так как ускорение обратно пропорционально массе m частицы, то в одном и том же поле Тормозное излучение легчайшей заряженной частицы — электрона будет, например, в миллионы раз мощнее излучения протона. Поэтому чаще всего наблюдается и практически используется Тормозное излучение, возникающее при рассеянии электронов на электростатическом поле атомных ядер и электронов; такова, в частности, природа рентгеновских лучей в рентгеновских трубках и гамма-излучения , испускаемого быстрыми электронами при прохождении через вещество.
Спектр фотонов Тормозное излучение непрерывен и обрывается при максимально возможной энергии, равной начальной энергии электрона. Интенсивность Тормозное излучение пропорциональна квадрату атомного номера Z ядра, в поле которого тормозится электрон (по закону Кулона сила f взаимодействия электрона с ядром пропорциональна заряду ядра Ze, где е — элементарный заряд, а ускорение определяется вторым законом Ньютона: а= f/m). При движении в веществе электрон с энергией выше некоторой критической энергии E0 тормозится преимущественно за счёт Тормозное излучение (при меньших энергиях преобладают потери на возбуждение и ионизацию атомов). Например, для свинца E0 » 10 Мэв, для воздуха — 200 Мэв.
Рассеяние электрона в электрическом поле атомного ядра и атомных электронов является чисто электромагнитным процессом, и его наиболее точное описание даёт квантовая электродинамика (см. Квантовая теория поля ). При не очень высоких энергиях электрона хорошее согласие теории с экспериментом достигается при учёте одного только кулоновского поля ядра. Согласно квантовой электродинамике, в поле ядра существует определённая вероятность квантового перехода электрона в состояние с меньшей энергией с излучением, как правило, одного фотона (вероятность излучения большего числа фотонов мала). Поскольку энергия фотона Eg равна разности начальной и конечной энергии электрона, спектр Тормозное излучение (рис. 1) имеет резкую границу при энергии фотона., равной начальной кинетической энергии электрона Te. Так как вероятность излучения в элементарном акте рассеяния пропорциональна Z 2, то для увеличения выхода фотонов Тормозное излучение в электронных пучках используются мишени из веществ с большими Z (свинец, платина и т.д.). Угловое распределение Тормозное излучение существенно зависит от Te: в нерелятивистском случае (Te £ mec2; где me — масса электрона, с — скорость света) Тормозное излучение подобно излучению электрического диполя , перпендикулярного к плоскости траектории электрона. При высоких энергиях (Te >> mec2) Тормозное излучение направлено вперёд по движению электрона и концентрируется в пределах конуса с угловым раствором порядка q » mec2/Te рад (рис. 2); это свойство используется для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии (g-квантов) на электронных ускорителях. Тормозное излучение является частично поляризованным.
Дальнейшее уточнение теории Тормозное излучение достигается учётом экранирования кулоновского поля ядра атомными электронами. Поправки на экранирование, существенные при Te >> mec2 и Eg << Te, приводят к снижению вероятности Тормозное излучение (так как при этом эффективное поле меньше кулоновского поля ядра).
На свойства Тормозное излучение при прохождении электронов через вещество влияют эффекты, связанные со структурой среды и многократным рассеянием электронов. При Te >>100 Мэв многократное рассеяние сказывается ещё и в том, что за время, необходимое для излучения фотона, электрон проходит большое расстояние и может испытать столкновения с другими атомами. В целом многократное рассеяние при больших энергиях приводит в аморфных веществах к снижению интенсивности и расширению пучка Тормозное излучение При прохождении электронов больших энергий через кристаллы возникают интерференционные явления — появляются резкие максимумы в спектре Тормозное излучение и увеличивается степень поляризации (рис. 3).
Причиной значительного Тормозное излучение может быть тепловое движение в горячей разреженной плазме (с температурой 105—106 К и выше). Элементарные акты Тормозное излучение, называются в этом случае тепловым, обусловлены столкновениями заряженных частиц, из которых состоит плазма. Космическое рентгеновское излучение, наблюдение которого стало возможным с появлением искусственных спутников Земли, частично (а излучение некоторых дискретных рентгеновских источников, возможно, полностью) является, по-видимому, тепловым Тормозное излучение
Тормозное рентгеновское и гамма-излучение широко применяются в технике, медицине, в исследованиях по биологии, химии и физике.
Лит.: Ахиезер А. И., Берестецкий В. Б., Квантовая электродинамика, 3 изд., М., 1969; Байер В. Н., Катков В. М., Фадин В. С., Излучение релятивистских электронов, М., 1973; Богданкевич О. В., Николаев Ф. А., Работа с пучком тормозного излучения, М,, 1964: Соколов А. А., Тернов И. М., Релятивистский электрон, М.,1974.
Э. А. Тагиров.
Te в единицах энергии покоя электрона mec2 » 0,511 Мэв (интенсивность I дана в относительных единицах)." href="/a_pictures/18/10/228285514.jpg">Te в единицах энергии покоя электрона mec2 » 0,511 Мэв (интенсивность I дана в относительных единицах)."http://lead.atomistry.com/">свинце (4 верхних кривых) и в алюминии (нижняя кривая); цифры на кривых — начальная кинетическая энергия электрона Te в единицах энергии покоя электрона mec2 » 0,511 Мэв (интенсивность I дана в относительных единицах)." src="a_pictures/18/10/th_228285514.jpg">
Рис. 1. Теоретические спектры энергии (Eg) фотонов тормозного излучения (с учётом экранирования) в свинце (4 верхних кривых) и в алюминии (нижняя кривая); цифры на кривых — начальная кинетическая энергия электрона Te в единицах энергии покоя электрона mec2 » 0,511 Мэв (интенсивность I дана в относительных единицах).
Te >> mec2)." href="/a_pictures/18/10/258936154.jpg">Te >> mec2)."http://tellurium.atomistry.com/">Te >> mec2)." src="a_pictures/18/10/th_258936154.jpg">
Рис. 2. Угловое распределение тормозного излучения при высоких начальных энергиях электронов (Te >> mec2).
Te + mec2 для Ee = 1 Гэв (интенсивность I дана в произвольных единицах)." href="/a_pictures/18/10/281907963.jpg">Te + mec2 для Ee = 1 Гэв (интенсивность I дана в произвольных единицах)."http://tellurium.atomistry.com/">Te + mec2 для Ee = 1 Гэв (интенсивность I дана в произвольных единицах)." src="a_pictures/18/10/th_281907963.jpg">
Рис. 3. Поляризация Р (верхняя кривая) и энергетический спектр (нижняя кривая) фотонов у тормозного излучения как функция Eg в единицах полной начальной энергии электрона Ee = Te + mec2 для Ee = 1 Гэв (интенсивность I дана в произвольных единицах).