Тормозное излучение

Тормозное излучение, электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле. Иногда в понятие Т. и. 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 Т. и., его интенсивность пропорциональна квадрату ускорения заряженной частицы (см. Излучение). Так как ускорение обратно пропорционально массе m частицы, то в одном и том же поле Т. и. легчайшей заряженной частицы — электрона будет, например, в миллионы раз мощнее излучения протона. Поэтому чаще всего наблюдается и практически используется Т. и., 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 Т. и. непрерывен и обрывается при максимально возможной энергии, равной начальной энергии электрона. Интенсивность Т. и. 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 Т. и. (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 E_g равна разности начальной и конечной энергии электрона, спектр Т. и. (рис. 1) имеет резкую границу при энергии фотона., равной начальной кинетической энергии электрона T_e. Так как вероятность излучения в элементарном акте рассеяния пропорциональна Z ², то для увеличения выхода фотонов Т. и. в электронных пучках используются мишени из веществ с большими Z (свинец, платина и т.д.). Угловое распределение Т. и. существенно зависит от T_e: в нерелятивистском случае (T_e £ m_ec²; где m_e  — масса электрона, с — скорость света) Т. и. подобно излучению электрического диполя, перпендикулярного к плоскости траектории электрона. При высоких энергиях (T_e  >> m_ec²) Т. и. направлено вперёд по движению электрона и концентрируется в пределах конуса с угловым раствором порядка q » m_ec²/T_e рад (рис. 2); это свойство используется для получения интенсивных пучков фотонов высокой энергии (g-квантов) на электронных ускорителях. Т. и. является частично поляризованным.

  Дальнейшее уточнение теории Т. и. достигается учётом экранирования кулоновского поля ядра атомными электронами. Поправки на экранирование, существенные при T_e >> m_ec² и E_g << T_e, приводят к снижению вероятности Т. и. (так  как при этом эффективное поле меньше кулоновского поля ядра).

  На свойства Т. и. при прохождении электронов через вещество влияют эффекты, связанные со структурой среды и многократным рассеянием электронов. При T_e >>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 Т. и. При прохождении электронов больших энергий через кристаллы возникают интерференционные явления — появляются резкие максимумы в спектре Т. и. и увеличивается степень поляризации (рис. 3).

  Причиной значительного Т. и. может быть тепловое движение в горячей разреженной плазме (с температурой 10⁵—10⁶ К и выше). Элементарные акты Т. и., 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 Т. и.

  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.

Рис. 1. Теоретические спектры энергии (E_g) фотонов тормозного излучения (с учётом экранирования) в свинце (4 верхних кривых) и в алюминии (нижняя кривая); цифры на кривых — начальная кинетическая энергия электрона T_e в единицах энергии покоя электрона m_ec² » 0,511 Мэв (интенсивность I дана в относительных единицах).

Рис. 2. Угловое распределение тормозного излучения при высоких начальных энергиях электронов (T_e >> m_ec²).

Рис. 3. Поляризация Р (верхняя кривая) и энергетический спектр (нижняя кривая) фотонов у тормозного излучения как функция E_g в единицах полной начальной энергии электрона E_e = T_e + m_ec² для E_e = 1 Гэв (интенсивность I дана в произвольных единицах).