Введение

Электромагнитное излучение, вызванное замедлением заряженных частиц

В физике частиц, тормозное излучение (bremsstrahlung /b//r//ɛ//m//ʃ//t//r/ɑː//l/ə//ŋ/) — это электромагнитное излучение, возникающее при замедлении заряженной частицы при отклонении от другой заряженной частицы, как правило, электрона атомным ядром. Движущаяся частица теряет кинетическую энергию, которая преобразуется в излучение (то есть фотоны), тем самым удовлетворяя закону сохранения энергии. Этот термин также используется для обозначения процесса генерации этого излучения. Тормозное излучение имеет непрерывный спектр, который становится более интенсивным, а максимум интенсивности смещается в область более высоких частот с увеличением изменения энергии замедляющихся частиц. В широком смысле, тормозное излучение – это любое излучение, возникающее в результате ускорения (положительного или отрицательного) заряженной частицы, включая синхротронное излучение (то есть излучение фотонов релятивистской частицей), циклотронное излучение (то есть излучение фотонов нерелятивистской частицей) и излучение электронов и позитронов при бета-распаде. Однако этот термин часто используется в более узком смысле для обозначения излучения от электронов (из любого источника), замедляющихся в веществе. Тормозное излучение, испускаемое плазмой, иногда называют излучением «свободный-свободный». Это указывает на то, что в этом случае излучение создается электронами, которые свободны (то есть не находятся в атомном или молекулярном связанном состоянии) до и остаются свободными после испускания фотона. В той же терминологии, излучение «связанный-связанный» относится к дискретным спектральным линиям (электрон «перескакивает» между двумя связанными состояниями), а излучение «свободный-связанный» относится к процессу радиационной рекомбинации, в котором свободный электрон рекомбинирует с ионом. В данной статье используются единицы СИ, а также нормированный заряд одиночной частицы.

Классическое описание

Если квантовые эффекты пренебрежимо малы, ускоряющаяся заряженная частица излучает мощность в соответствии с формулой Лармора и ее релятивистским обобщением.

Релятивистские коррекции

Для очень высоких температур существуют релятивистские поправки к этой формуле, то есть дополнительные слагаемые порядка .

охлаждение Bremsstrahlung

Если плазма оптически тонкая, то тормозное излучение покидает плазму, унося часть внутренней энергии плазмы. Этот эффект известен как тормозное охлаждение. Это один из видов радиационного охлаждения. Энергия, уносимая тормозным излучением, называется потерями на тормозное излучение и является видом радиационных потерь. Термин "потери на тормозное излучение" обычно используется, когда охлаждение плазмы нежелательно, например, в плазме для термоядерного синтеза.

Поляризационное тормозное излучение

Поляризационное тормозное излучение (иногда называемое "атомным тормозным излучением") — это излучение, испускаемое атомными электронами мишени при поляризации атома мишени кулоновским полем падающей заряженной частицы. Вклад поляризационного тормозного излучения в общий спектр тормозного излучения наблюдался в экспериментах с относительно массивными падающими частицами, резонансными процессами и свободными атомами. Однако до сих пор ведутся споры о том, вносят ли значительный вклад поляризационное тормозное излучение в эксперименты с быстрыми электронами, падающими на твердые мишени. Важно отметить, что термин "поляризационное" не подразумевает, что испускаемое тормозное излучение является поляризованным. Кроме того, угловое распределение поляризационного тормозного излучения теоретически существенно отличается от углового распределения обычного тормозного излучения.

Бета-распад

Вещества, испускающие бета-частицы, иногда демонстрируют слабое излучение с непрерывным спектром, обусловленное тормозным излучением (см. "внешнее тормозное излучение" ниже). В данном случае, тормозное излучение является видом "вторичного излучения", поскольку оно возникает в результате остановки (или замедления) первичного излучения – бета-частиц. Оно очень похоже на рентгеновское излучение, получаемое при бомбардировке металлических мишеней электронами в рентгеновских аппаратах (как описано выше), за исключением того, что оно создается быстрыми электронами, возникающими при бета-распаде.

Внутреннее и внешнее тормозное излучение

"Внутреннее" тормозное излучение (также известное как "внутреннее тормозное излучение") возникает при создании электрона и его потере энергии (из-за сильного электрического поля вблизи распадающегося ядра) при вылете из ядра. Такое излучение является характерной чертой бета-распада ядер, но иногда (реже) наблюдается и при бета-распаде свободных нейтронов в протоны, где оно возникает при вылете бета-электрона из протона. При электронном и позитронном излучении в процессе бета-распада энергия фотона берется от электронно-нуклонной пары, при этом спектр тормозного излучения непрерывно уменьшается с ростом энергии бета-частицы. При электронном захвате энергия берется за счет нейтрино, а спектр достигает максимума примерно на одной трети от обычной энергии нейтрино, убывая до нуля при нормальной энергии нейтрино. Следует отметить, что в случае электронного захвата тормозное излучение испускается, даже если не испускается заряженная частица. Вместо этого, тормозное излучение можно рассматривать как возникающее при ускорении захваченного электрона к моменту поглощения. Такое излучение может иметь частоты, сопоставимые с частотами мягкого гамма-излучения, но не проявляет резких спектральных линий, характерных для гамма-распада, и, следовательно, технически не является гамма-излучением. Этот внутренний процесс следует отличать от "внешнего" тормозного излучения, возникающего при столкновении электронов, приходящих извне (то есть испускаемых другим ядром), о котором говорилось выше.

Радиационная безопасность

В некоторых случаях, таких как распад link=Phosphorus 3232P, тормозное излучение, возникающее при экранировании бета-излучения обычно используемыми плотными материалами (например, свинцом), само по себе представляет опасность; в таких случаях экранирование необходимо осуществлять материалами низкой плотности, такими как плексиглас (люцит), пластик, дерево или вода; поскольку атомный номер этих материалов ниже, интенсивность тормозного излучения значительно уменьшается, но для остановки электронов (бета-излучения) требуется большая толщина защитного слоя.

В астрофизике

Доминирующим светящимся компонентом в скоплении галактик является внутрикластерная среда с температурой от 107 до 108 кельвинов. Излучение внутрикластерной среды характеризуется тепловым тормозным излучением. Это излучение лежит в диапазоне энергий рентгеновского излучения и может быть легко наблюдаемо с помощью космических телескопов, таких как Chandra X-ray Observatory, XMM Newton, ROSAT, ASCA, EXOSAT, Suzaku, RHESSI и будущих миссий, таких как IXO и Astro H. Тормозное излучение также является доминирующим механизмом излучения для областей H II на радиоволнах.

В электрических разрядах

При электрических разрядах, например, в лабораторных разрядах между двумя электродами или в разрядах молнии между облаком и землей или внутри облаков, электроны генерируют фотоны тормозного излучения при рассеянии на молекулах воздуха. Эти фотоны проявляются в виде наземных гамма-вспышек и являются источником пучков электронов, позитронов, нейтронов и протонов. Появление фотонов тормозного излучения также оказывает влияние на распространение и морфологию разрядов в азотно-кислородных смесях с низким содержанием кислорода.

Электроны-электроны тормозной радиации

Одним из механизмов, считающихся важными для малых атомных номеров, является рассеяние свободного электрона на оболочечных электронах атома или молекулы. Поскольку электрон-электронное тормозное излучение является функцией , а обычное электронно-ядерное тормозное излучение – функцией , электрон-электронное тормозное излучение пренебрежимо мало для металлов. Однако для воздуха оно играет важную роль в возникновении наземных гамма-вспышек.