《中国大百科全书（第2版）》读书笔记9051-电磁辐射

电磁辐射 electromagnetic radiation

振荡的电荷或电流系统以及任意作加速运动的带电粒子以电磁波的形式向外辐射能量的过程。电动力学研究领域的重要课题。

1.研究简史

人类对电磁辐射的研究始于对可见光的研究。开始时研究光的传播规律，传播速度有多大，探索光的本性，探讨光究竟是微粒还是波动。

到19世纪上半叶，光的波动学说解释了光的干涉、衍射和偏振等现象，成为光学中的主流。1865年J.C.麦克斯韦建电磁场的基本理论，得出存在电磁波，指出光是介质中起源于电磁现象的横波，把光学研究纳入电磁学研究范围，为电磁辐射的研究奠定了理论基础。

1887年H.R.赫兹用实验演示了电磁波的产生和接收以及电磁波的反射、折射、干涉等现象，麦克斯韦电磁理论得到完全证实，从而开始了在麦克斯韦电磁理论基础上对电磁辐射进行的广泛研究，不仅有电辐射的实际应用，如1901年G.马可尼关于无线电报的研究，以及以后对于宙达和电视机的研究，还有通过研究电磁辐射探索物质内部结构等。

经典电磁理论获得巨大成功之后不久就遇到一系列新的挑战。它无法解释原子的线状光谱，在黑体辐射问题上经典理论与实验结果更产生了尖锐矛盾。

1900年M.普朗克为解决黑体辐射问题首次提出量子假设，辐射与物质的谐振子之间交换能量只能是能量基本单元的整数倍，能量基本单元与辐射频率成正比，即，式中比例系数为普朗克常数，近似值为焦·秒。

1905年A.爱因斯坦进一步引入光量子（光子）概念，认为光是由光子组成的，光子的能量为，成功地解释了光电效应。1923年光子概念在康普顿效应中得到进一步证实，电磁辐射除了是电磁波外还具有粒子性，已成为被肯定的事实。电磁波的波长越短，频率越高，则光子能量越高，电磁辐射的粒子性也越显著。

在所有与普朗克常数的有限大小无关的现象（如长波辐射、宏观辐射体和接收器）中，辐射的粒子性都可忽略，麦克斯韦的经典电磁理论都能很好地给以描述；在与普朗克常数的有限大小有关的现象（如原子辐射等）中，则需用后来发展的量子理论加以处理。

2.电磁辐射的一般性质

电磁辐射也指辐射的电磁波，其一般性质可概述如下：

①在真空中电磁波的传播速度为光速，米/秒。电磁波在介质中的传播速度为，，式中称为介质的折射率，为介质的相对介电常数，为介质的相对磁导率，它们一般与电磁波的频率有关。因此，不同频率的电磁波的传播速度略有不同，表明电磁波在介质中有色散现象。

②电磁辐射的波长伸展范围广阔，从米至米，可分为无线电长波、无线电短波、微波、红外辐射、可见光、紫外辐射、X射线、γ射线等。

③电磁波是横波，电场强度E和磁场强度H与传播方向k垂直，E与H也互相垂直，并且E、H和k三个矢量方向组成右手螺旋。

④伴随着电磁波传播，有能量的传播。

⑤带电粒子运动存在加速度时产生电磁辐射。

3.几种重要的电磁辐射过程

有如下几种：

3.1.小范围内振荡电流的电磁辐射

限制在小范围内的振荡电流的电磁辐射可作多极展开，主要项是电偶极辐射。设源的大小为，远场区即距离情形，偶极辐射场与频率二次方成正比，与偶极矩振幅一次方成正比，与距离一次方成反比，辐射功率则与频率四次方成正比，与偶极矩振幅平方成正比，与距离平方成反比。偶极辐射的方向特征（角分布）与成正比，为极角。比电偶极辐射低一级的是磁偶极辐射和电四极辐射。电偶极矩为零时需要考虑下一级贡献，角分布更为复杂。实际测量辐射的角分布是探测源的性质的重要手段，在原子核物理学中由此推知原子核内部结构的信息。

3.2.回旋加速辐射和同步加速辐射

带电粒子（通常是电子）垂直注入均匀的恒磁场绕磁力线作圆周运动时，具有向心加速度而产生电磁辐射。低能（）电子发射的称作回旋加速辐射，高能（）电子发射的称作同步加速辐射。它们首先是在回旋加速器和同步加速器中被观察到，因而得名。

两种辐射的偏振状态相似，垂直于磁场方向上为线偏振，沿磁场方向上为圆偏振，其他斜方向上一般是椭圆偏振。回旋加速辐射的频谱是分立谱，能量主要集中在基频，辐射的方向性不强。同步加速辐射的频谱是连续谱，频谱较宽，在X射线波段；随着速度增大，能谱的极大值向更高的谐频转移；有极强的方向性，像探照灯似的分布在以粒子运动方向为轴的极窄角锥内。

同步加速辐射是高能圆形轨道加速器中最主要的能量损失机制，辐射损失等于加速器提供的功率时，电子不再能加速。它也是天体物理学中一种重要的辐射机制，一些射电星系和超新星遗迹的射电辐射就是同步加速辐射。另一方面，同步加速辐射为人们提供了一种高度准直并可连续调谐的强X射线源和真空紫外光源，它在原子物理学、光化学、固体及其表面、材料科学等诸多领域中有重要应用。

3.3.轫致辐射

泛指带电粒子在碰撞（尤其指库仑散射）过程中发出的辐射，早先用来称谓高速电子轰击金属靶时因突然减速而产生的辐射。具有连续谱，强度在很宽的频谱范围内变化缓慢。非相对论性粒子的轫致辐射方向性不强，相对论性粒子的轫致辐射则集中在运动的前方。轫致辐射部分是偏振的。

轫致辐射在天文观测上是一种常见的现象，一些X射线脉冲星的辐射，就是其中遵从麦克斯韦分布的电子，受到脉冲星吸积，获得很大动能，在脉冲星表面转而产生轫致辐射。轫致辐射也是产生高能光子束（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电磁结构，以及辐射与物质相互作用过程。核变反应中轫致辐射的作用极为重要，由于轫致辐射总功率正比于相碰撞粒子电荷数Z二次方的乘积，因此聚变核燃料中极少量的重离子杂质的轫致辐射将损失过多的能量，迫使点火温度提高，这是核聚变反应中应密切注意防止的问题。

3.4.切伦科夫辐射

带电粒子在透明介质中穿行时，速度超过介质中的光速所发出的一种辐射。它不同于加速单个带电粒子的辐射效应，而是运动带电粒子与介质内的束缚电荷和诱导电流所产生的集体效应。它是当带电粒子的速度超过介质内的光速时，这些诱导电流激发的次波与原来粒子的电磁场叠加形成的辐射场，是一种电磁冲击波。

切伦科夫辐射具有连续谱，辐射方向与粒子速度方向之间的夹角满足，式中为介质折射率，为粒子速度，为真空光速。切伦科夫辐射广泛应用于高速粒子的探测器，用来测定粒子速度。

摘自：《中国大百科全书（第2版）》第5册，中国大百科全书出版社，2009年