轫致辐射(bremsstrahlung)是指高速电子骤然减速产生的
辐射。泛指
带电粒子在
碰撞(尤指它们之间的库仑散射)过程中发出的辐射。例如一个高能电子与一个
原子核相碰撞时就产生这种辐射。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。