Spørg Scientariet: Hvorfor udsender partikler stråling, når de accelereres?

Philip Hughes spørger: I en undulator skydes højhastighedselektroner ind, elektromagneter river elektronerne frem og tilbage på tværs = meget højfrekvent stråling ud i samme retning, fordi den stråling, elektronerne udsender, når de accelereres frem og tilbage på tværs, bliver ‘doppler-komprimeret’. Men hvorfor udsender partikler stråling, når de accelereres?

Martin Meedom Nielsen, professor, DTU Fysik, Institut for Fysik, svarer:

Ladede partikler,som accelereres, udsender elektromagnetisk stråling. Elektromagnetisk stråling kan beskrives som ændringer i det elektriske felt. I ethvert punkt i rummet svarer det elektriske felt til summen af alle de elektriske tiltræknings- og frastødningskræfter, som en lille ’testladning’ ville opleve. Hvis en ladet partikel accelererer i rummet, forstyrres feltet, og forstyrrelsen forplanter sig ud fra partiklen. Forstyrrelsen svarer til elektromagnetisk stråling.

Den eksakte beskrivelse kan udledes ved hjælp af Maxwells ligninger, men matematikken er måske lidt tung. I stedet kan vi forsøge at komme det lidt nærmere analogt til, hvordan J.J. Thompson gjorde. Tager vi f.eks. en elektron, vil det elektriske felt pege radialt ind mod elektronen, hvis det beskrives i et koordinatsystem, hvor elektronen er i hvile (et inertialsystem). Hvis elektronen accelereres/decelereres kortvarigt, ændres det elektriske felt, da ladningen flytter sig i forhold til inertialsystemet: Feltet peger nu mod den nye position af ladningen. Ændringen i feltet kan imidlertid hurtigst udbrede sig med lysets hastighed. Derfor vil ændringen ikke kunne ses før efter et stykke tid i en given afstand fra ladningen. Der vil således være et lille område, hvor feltlinjerne fra situationen før skal mødes med feltlinjerne fra situationen efter hastighedsændringen. Dette kan kun lade sig gøre, hvis der er et ’nyt’ elektrisk felt, som har en komponent vinkelret på de radielle feltlinjer.Dette svarer til en ’puls’ af elektromagnetisk stråling, som bevæger sig væk fra partiklen med lysets hastighed. Det er netop den stråling, vi leder efter. Situationen kan udvikles til relativistiske hastigheder og store accelerationer. Energien, som udstråles i denne ’nye’ puls, tages fra elektronens bevægelsesenergi. Derfor er man f.eks. nødt til at tilføre elektronbundterne energi i en synchrotron, efter hver omgang elektronerne har rejst i lagerringen.

Læs mere og stil dine egne spørgsmål på ing.dk/scientariet