קרינת בלימה

קרינת בלימה (בשימוש גם מונח גרמני ‏Bremsstrahlung^ⓘ‏^Ⓘ‏, ברמשטרלונג) היא הקרינה האלקטרומגנטית הנפלטת מחלקיק טעון (לרוב אלקטרון) עקב האצתו, או למעשה האטתו, למשל במעבר ליד גרעין אטומי או בלייזר אלקטרונים חופשיים.

קרינת בלימה הנוצרת על ידי אלקטרון בעל אנרגיה גבוהה המוטה על ידי שדה חשמלי של גרעין אטומי.

לקרינת הבלימה ספקטרום רציף, וכמו בכל קרינה אלקטרומגנטית התדר שלה עולה ככל שהאנרגיה של החלקיק עולה. התופעה התגלתה על ידי ניקולא טסלה במחקר בתדר גבוה שערך בין 1888-1897.

קרינת בלימה למעשה כוללת את כל תופעות הקרינה עקב האצת חלקיק טעון, ולכן גם את קרינת סינכרוטרון (אנ'), אך מושג זה משמש לרוב רק לתיאור קרינה עקב האטת אלקטרונים בחומר.

מבוא מתמטי

בעבור חלקיק הטעון במטען q שנע קווית (כלומר כשהתאוצה מקבילה למהירות) במהירות שלה מתאים פקטור לורנץ ${\displaystyle \gamma }$ ומאיץ בתאוצה a ההספק הכולל של קרינת הבלימה הנפלטת ממנו ניתן בנוסחה:

${\displaystyle P_{a\parallel v}={\frac {q^{2}a^{2}\gamma ^{6}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}},}$

ובמקרה שהתאוצה ניצבת למהירות החלקיק ההספק הכולל של קרינת הבלימה ניתן בנוסחה:

${\displaystyle P_{a\perp v}={\frac {q^{2}a^{2}\gamma ^{4}}{6\pi \varepsilon _{0}c^{3}}}}$.

ובמקרה הכללי:

${\displaystyle P={\frac {q^{2}\gamma ^{4}}{6\pi \varepsilon _{0}c}}({\dot {\beta }}^{2}+{\frac {({\vec {\beta }}+{\dot {\vec {\beta }}})^{2}}{1-\beta ^{2}}})}$

בשלוש הנוסחאות האחרונות c היא מהירות האור ו- ${\displaystyle \epsilon _{0}}$ הוא המקדם הדיאלקטרי של הריק, כאשר ${\displaystyle {\vec {\beta }}={\frac {\vec {v}}{c}}\longrightarrow {\dot {\vec {\beta }}}={\frac {\vec {a}}{c}}}$ ו - ${\displaystyle \gamma ={\frac {1}{\sqrt {1-\beta ^{2}}}}}$ הוא פקטור לורנץ היחסותי.

קרינת הבלימה פועלת כמעיין "גרר תאוצה" המונע מחלקיקים להאיץ בתאוצות רגעיות גבוהות במיוחד. הסבר אינטואיטיבי לקיומה של קרינת הבלימה הוא שכל עוד החלקיק נע במהירות קבועה, קיימת מערכת ייחוס אינרציאלית שבה החלקיק נייח והמרחב איזוטרופי (כאשר ראשיתו מוצבת במיקום החלקיק). לעומת זאת כאשר החלקיק מאיץ, האיזוטרופיות של המרחב נשברת, ונוצר כיוון מועדף מסוים. כתוצאה מכך קווי השדה נשברים, והאנרגיה שמוקרנת היא למעשה האנרגיה שדרושה כדי לאחות אותם ולשמור על רציפותם. בעבור חלקיק שנע במהירות קבועה, השדות (חשמלי ומגנטי) שהוא יוצר בנקודה כלשהי במרחב אמנם משתנים בזמן, אך מרגע שהגל האלקטרומגנטי שנוצר בהאצתו הראשונית של החלקיק חולף על פני הנקודה, השינוי בשדות האלה לא נושא עמו אנרגיה.

רקע היסטורי: תולדות האלקטרודינמיקה

פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה.

היסטורית, מדע האלקטרודינמיקה נוצר כאשר קרל פרידריך גאוס הכליל את חוק קולון למקרה של מטענים נעים, וניסח במכתב מ-1835 ביטוי מתמטי מפורש לאינטראקציה האלקטרומגנטית בין מטענים הנמצאים בתנועה אחידה (ללא תאוצות). קדמו לניסוח המתמטי הזה שתי תובנות מפתח עליהן גאוס כתב:

• אבן היסוד של האלקטרודינמיקה תהיה להבין כיצד אפקטים חשמליים מתקדמים במרחב בזמן, באופן הדומה למשל לתנועת אור.
• שני אלמנטים של חשמל במצב של תנועה יחסית מושכים או דוחים אחד את השני, אבל לא באותו אופן אילו היו במצב של מנוחה יחסית.

גאוס לאחר מכן הציע את הביטוי המתמטי הבא לכוח האלקטרומגנטי השלם בין שני חלקיקים עם מטענים ${\displaystyle q_{1}}$ ו-${\displaystyle q_{2}}$ במצבי תנועה שרירותיים:

${\displaystyle F={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}(1+{\frac {1}{c^{2}}}(r{\ddot {r}}-r\cdot {\ddot {r}}-{\frac {1}{2}}{\dot {r}}^{2}))={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}(1+{\frac {1}{c^{2}}}(u^{2}-{\frac {3}{2}}{\dot {r}}^{2}))}$.

כש-r הוא המרחק הסקלרי, ${\displaystyle r}$ הוא וקטור המרחק, ו-c היא מהירות האור. ביטוי זה נותן את התוצאות הנכונות עבור תנועות אינרציאלית. אולם, כפי שגאוס עצמו הבחין, הביטוי הזה מפר את חוק שימור האנרגיה עבור תנועות כלליות, ולכן העיר כי הנוסחה צריכה לכלול גם את האפקט של איבוד אנרגיה (retardation). מספר שנים מאוחר יותר (ב-1845), עמיתו של גאוס וילהלם ובר הציע חוק כוח דומה לחוק של גאוס:

${\displaystyle F={\frac {q_{1}q_{2}}{r^{2}}}(1-{\frac {1}{2}}({\frac {\dot {r}}{c}})^{2}+{\frac {r{\ddot {r}}}{c^{2}}})}$.

נוסחה זו נותנת את התוצאות הנכונות לאינטראקציה האלקטרומגנטית בין שני מטענים, ונותנת תיאור שלם של האלקטרודינמיקה הקלאסית (להבדיל מאלקטרודינמיקה קוונטית). למעשה, גישת גאוס-ובר שימשה כבסיס למחקרים תאורטיים של אלקטרומגנטיות עד אשר הוחלפה על ידי התאוריה האלקטרומגנטית של מקסוול בשנות ה-70 של המאה ה-19.

כיום יש עניין מחודש רב בגישת גאוס - ובר, משום ש-"שרדה" את כל המבחנים היחסותיים שנעשו בעשורים האחרונים, ומשום שחוקרים רבים חשים כי גישת גאוס - ובר עוד לא מוצתה, ונוצר הצורך בהחייאה מחדש של צורת המחשבה של החוקרים הראשונים בתחום המחקר של אלקטרודינמיקה.

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא קרינת בלימה בוויקישיתוף

• הערך "קרינת עצר", באתר אסטרופדיה
• קרינת בלימה, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.