Дипольное излучение. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Дипольное излучение - излучение, обусловленное изменением во времени дипольного момента системы. В случав эл--магн. Д. и., о к-ром далее только и будет идти речь, различают электрич. и магн. Д. и. в зависимости от того, вызывается ли оно изменением электрич. р_е или магн. р_m дипольных моментов.

Классическая теория. Произвольное распределение неподвижных или движущихся зарядов можно описать с помощью плотностей заряда

и тока j, удовлетворяющих ур-нию непрерывности:

. Поле, создаваемое такими источниками вне области их размещения, описывается как совокупность полей мультиполей: монополя (заряда), диполя, квадруполя и т. д. Однако такое описание продуктивно только тогда, когда размер l области, содержащей источники, мал по сравнению с длиной волны излучения

;

. Это ограничивает скорости и движения зарядов нерелятивистскими значениями,

. Д.и. из таких областей можно представить как излучение сосредоточенного (точечного) дипольного момента - электрического, соответствующего источникам

, и магнитного, соответствующего токам

. Здесь

- дельта-функция Дирака, а точка - знак дифференцирования по времени. Поле излучения создаётся только соленоидальными частями этих распределений, потенц. части ответственны лишь за квазистатич. поля.

На больших расстояниях R от области источников,

, т. е. в волновой зоне (см. Антенна ),электрическое E и магнитное H поля в вакууме выражают след. ф-лами (Гаусса система единиц:)

Здесь n - единичный вектор вдоль R, запаздывающий аргумент t-R/c учитывает разницу между моментом возникновения волнового возмущения в точке источника и моментом прихода его в точку наблюдения. Поле магн. Д. и. получают отсюда при помощи двойственности перестановочной принципа (,). Эл--магн. поле (*) представляет собой сферически расходящуюся волну с векторами E и H, перпендикулярными направлению её распространения, т. е. вдали от источников это квазиплоские волны типа ТЕМ.

В случае гармонич. закона изменения дипольного момента,

, с частотой

ср. интенсивность излучения в единицу времени (ср. мощность излучения) равна

, а её угл. распределение (диаграмма направленности) имеет вид:

где

- интенсивность, отнесённая к единице телесного угла,

- угол между п и р₀. Обычно (но не всегда!) магн. Д. и. меньше электрич. Д. и. и сопоставимо лишь с электрич. квадрупольным излучением. Если диполь электрический представить как элемент тока J длины l: (элементарный вибратор, или диполь Герца), а диполь магнитный - как рамку с током J и площадью S:

и считать токи одинаковыми, а размеры области источников соизмеримыми (S~l²), то

. При движении гармонически колеблющегося диполя в пространстве частота его Д. и. зависит от направления излучения (см. Доплера эффект), а диаграмма направленности искажается, стягиваясь к направлению движения диполя (см. также Синхротронное излучение, Ондуляторное излучение).

Квантовая теория. Согласно квантовой теории, излучение происходит при квантовом переходе системы из одного состояния в другое. При этом излучается фотон с энергией , где и - энергии начального и конечного состояний,

- частота фотона. Если размеры системы малы в сравнении с длиной волны фотона, то в отсутствие внеш. эл.- магн. поля вероятность перехода определяется в первом приближении соответствующим этому переходу элементом матрицы дипольного момента

. Вероятность перехода

в секунду с излучением фотона равна

. Такой самопроизвольный переход системы в состояние с более низкой энергией, сопровождающийся излучением фотона, относится к процессам спонтанного испускания. Для движущейся дипольной системы, обладающей конечной массой, возникает квантовый эффект отдачи, определяемый законами сохранения энергии и импульса в элементарном акте излучения одного фотона. На характер излучения движущегося диполя существенно влияет также наличие внеш. среды с показателем преломления

Поскольку каждый фотон обладает фиксиров. угловым моментом и чётностью, то, согласно закону сохранения момента и чётности, имеются определённые ограничения (отбора правила)на характеристики квантовых состояний, между к-рыми возможны переходы с Д. и. Квантовые переходы, сопровождаемые Д. и., наз. дипольными. Они играют осн. роль в испускании света молекулами. Если эти переходы запрещены правилами отбора, то, как и в классич. системе, приобретают значение др. переходы, для к-рых отличны от нуля, напр., к--л. элементы матрицы квадрупольного или магн. дипольного момента.

Наряду со спонтанным Д. и. существует вынужденное испускание возбуждённой дипольной системы, напр. молекулы. Оно возникает под действием внеш. эл--магн. поля резонансной частоты, совпадающей с одной из возможных частот спонтанного Д. и. данной молекулы. Вероятность вынужденного излучения пропорциональна интенсивности внеш. излучения. При попадании резонансного фотона в неравновесную среду возбуждённых молекул (т. н. активную среду) испускаются фотоны, в свою очередь играющие роль новых резонансных фотонов. В результате в протяжённой активной среде число испущенных фотонов лавинообразно растёт. На этом свойстве вынужденного излучения основано действие квантовых усилителей, а также квантовых генераторов эл--магн. излучения - мазеров и лазеров .В отсутствие внеш. излучения его роль может сыграть спонтанное излучение отд. молекул среды. Соответствующий процесс вынужденного усиления спонтанного излучения наз. сверхлюминесценцией. В естеств. условиях он реализуется, например, в космических мазерах, его используют также в сверхлюминесцентных лазерах.

Вынужденное Д. и. осциллирующих электронов широко используют в электронике для усиления и генерации микроволнового излучения (см. Гиротрон, Мазер на циклотронном резонансе, Лазеры на свободных электронах, Ондулятор).

Спонтанное Д. и. приобретает качественно новые свойства в макроскопич. системе, состоящей из достаточно плотно упакованных дипольных излучателей (возбуждённых молекул), взаимодействующих посредством резонансного эл.- магн. поля. В такой системе могут самопроизвольно возникать взаимно сфазированные дипольные колебания изначально не колебавшихся молекул. В результате они начинают излучать когерентно, т. е. возникает коллективное спонтанное Д. и. молекул, мощность к-рого существенно превышает мощность обычного спонтанного излучения такого же числа изолиров. молекул. При этом все молекулы переходят из возбуждённого состояния в состояние с более низкой энергией за время, значительно меньшее времени спонтанного перехода изоллров. молекулы. Такой коллективный нестационарный когерентный процесс получил название сверхизлучения Дикке, он принципиально отличается от процесса сверхлюминесценции.

Сверхизлучение используют для создания сверхизлучающих мазеров и лазеров, генерирующих ультракороткие импульсы с большой мощностью излучения в отсутствие резонатора. Сверхизлучающий и сверхлюминесцентный способы генерации излучения особенно важны для рентг. и УФ-диапазонов, в к-рых трудно осуществить многократное прохождение излучения через активную среду из-за малого времени жизни возбуждённых состояний частиц среды и отсутствия хороших резонаторов.

Литература по дипольному излучению

В. В. Кочаровский, Вл. В. Кочаровский, M. А. Миллер

Знаете ли Вы, что релятивистское объяснение феномену CMB (космическому микроволновому излучению) придумал человек выдающейся фантазии Иосиф Шкловский (помните книжку миллионного тиража "Вселенная, жизнь, разум"?). Он выдвинул совершенно абсурдную идею, заключавшуюся в том, что это есть "реликтовое" излучение, оставшееся после "Большого Взрыва", то есть от момента "рождения" Вселенной. Хотя из простой логики следует, что Вселенная есть всё, а значит, у нее нет ни начала, ни конца... Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.