Синхротронное излучение возникает, когда заряженная частица движется с релятивистской скоростью по искривлённой траектории. Магнитное поле меняет направление скорости электрона, то есть сообщает ему ускорение, и частица излучает электромагнитные волны. Это физическое явление связано с синхротроном-ускорителем, но не совпадает с ним: излучение встречается и в космосе.
Почему быстрый электрон излучает узким пучком
При нерелятивистской скорости излучение распределяется сравнительно широко. Когда скорость приближается к скорости света, релятивистские эффекты сжимают наблюдаемое излучение в узкий конус вдоль направления движения. Наблюдатель видит короткие импульсы каждый раз, когда этот конус проходит через его линию зрения.
Спектр получается широким: в нём могут быть инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый и рентгеновский диапазоны. Характерная частота зависит от энергии частиц и кривизны траектории. Электроны при этом теряют энергию, поэтому в накопительном кольце радиочастотные системы должны восполнять потери.
Как получают синхротронный свет в лаборатории
В специализированном источнике электроны сначала разгоняют, затем вводят в накопительное кольцо с высоким вакуумом. Поворотные магниты удерживают орбиту. Ондуляторы и вигглеры заставляют пучок многократно отклоняться, усиливая и формируя свет. После этого излучение направляют по отдельным каналам — линиям пучка — к экспериментальным установкам.
Такой источник ценят за высокую яркость, направленность, короткие импульсы и возможность выбирать длину волны. Эти свойства позволяют исследовать структуру вещества на масштабах молекул и атомов, следить за быстрыми процессами и различать химические состояния элементов.
Где его применяют
Рентгеновская дифракция помогает определять кристаллическую структуру белков, минералов и новых материалов. Спектроскопия показывает локальное окружение атомов и электронные состояния. Томография даёт трёхмерные изображения внутреннего строения образца без его послойного разрушения. Синхротронные методы используют в физике, химии, биологии, медицине, материаловедении и исследовании культурного наследия.
В астрофизике синхротронное излучение служит признаком релятивистских электронов и магнитных полей в остатках сверхновых, джетах активных галактик и других высокоэнергетических объектах. По спектру и поляризации можно оценивать свойства среды, хотя вывод всегда зависит от модели распределения частиц и поля.