Радиационное трение

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Радиационное трение, реакция излучения — торможение излучением, сила, действующая на электрон (или другую заряженную частицу) со стороны вызванного им поля электромагнитного излучения.

Всякое движение заряда с ускорением приводит к излучению электромагнитных волн. Поэтому система движущихся с ускорением зарядов не является замкнутой: в ней не сохраняются энергия и импульс. Такая система ведёт себя как механическая система при наличии сил трения (диссипативная система), которые вводятся для описания факта несохранения энергии в системе вследствие её взаимодействия со средой. Совершенно так же передачу энергии (и импульса) заряженной частицей электромагнитному полю излучения можно описать как «лучистое трение». Зная теряемую в единицу времени энергию (то есть интенсивность излучения; см. Излучение), можно определить силу трения. Для электрона, движущегося в ограниченной области пространства со средней скоростью, малой по сравнению со скоростью света с, сила трения выражается формулой, полученной впервые Х. Лоренцем:

$F= \frac{2}{3} \frac {e^2}{c^3} \frac {da}{dt}$ ,

где а — ускорение электрона. Радиационное трение приводит к затуханию колебаний заряда, что проявляется в уширении спектральной линии излучения (т. н. естественная ширина линии).

Радиационное трение представляет собой часть силы, действующей на заряд со стороны созданного им самим электромагнитного поля («самодействие»). Необходимость её учёта приводит к принципиальным трудностям, тесно связанным с проблемой структуры электрона, природы его массы и др. (см. Квантовая теория поля).

При строгой постановке задачи следует рассматривать динамическую систему из зарядов и электромагнитного поля, которая описывается двумя системами уравнений: уравнениями движения частиц в поле и уравнениями поля, определяемого расположением и движением заряженных частиц. Однако практически имеет смысл лишь приближённая постановка задачи: методом последовательных приближений. Например, сначала находится движение электрона в заданном поле (то есть без учёта собственного поля), затем — поле заряда по его заданному движению и далее, в качестве поправки, — влияние этого поля на движение заряда, то есть Р. и. Такой метод даёт хорошие результаты для излучения с длиной волны λ >> r₀ = е²/mc² (где m — масса, r₀ ~ 2×10^-13 см— «классический радиус» электрона). Реально уже при длине волны порядка комптоновской длины волны электрона h/mc (h — постоянная Планка), λ ~ 10^-10см, необходимо учитывать квантовые эффекты. Поэтому приближённый метод учёта радиационного трения справедлив во всей области применимости классической электродинамики.

Квантовая электродинамика в принципиальном отношении сохранила тот же подход к проблеме, основанный на методе последовательного приближении (т. н. методе теории возмущений). Но её методы позволяют учесть радиационное трение, то есть действие на электрон собственного поля, практически с любой степенью точности причём не только «диссипативную» часть радиационного трения (обусловливающую уширение спектральных линий), но и «потенциальную» часть, то есть эффективное изменение внешнего поля, в котором движется электрон. Это проявляется в изменении энергетических уровней и эффективных сечений процессов столкновений.

Статья основана на материалах Большой советской энциклопедии.