电子刹车辐射

张武昌2025年11月8日星期六

（以下为极简描述，专家莫笑）

第一部分 电子发光有电子刹车和跃迁两种方式

电子就像是发出光子的机枪，从周围的环境中吸收能量，然后将能量以光子的形式释放出来。

根据电子吸收能量形式和数量的不同，电子释放出不同波长（频率）的光。

原子中的电子的能量有两种表现形式，一种是电子的动能，一种是电子的轨道能级。

所以与此匹配，电子能量的改变有两种方式，一种是电子的动能改变，一种是电子轨道能级的改变。

电子动能和轨道能级的增加需要吸收能量，而电子动能和轨道能级的减少则需要以释放光子的形式释放能量。

电子能量减少发生的辐射就是广义的韧致辐射或刹车辐射bremsstrahlung(德语)， braking radiation(英语) ，泛指带电粒子在碰撞（尤指它们之间的库仑散射）过程中能量减少发出的辐射。

而轨道跃迁发生的辐射称为受激辐射。

两者发出的光谱的不同之处是，物体中所有电子的动能是连续分布的，所以动能改变发出的光是连续分布；而电子的轨道能级是量子化的，所以轨道跃迁发出的光是条带式的特征光谱。

可见电子产生光的机制既有经典物理机制，又有量子物理机制，电子是宏观粒子和微观粒子的分界。

第二部分 不同波段的刹车辐射

几种刹车辐射（韧致辐射）情形如下

第一种情形，无线电波

电压的变化导致电流的震荡（方向和速度的交替变化），（电流中的）电子来回振动，加速过程中吸收（电势）能量转变为动能，在减速过程中释放能量为无线电波波段。

第二种情形，热辐射

物体的原子（和其中的原子核和电子）都在不停地振动，这种振动可以简化为简谐振动，即小球之间有弹簧连接，物体的温度即为物体中所有原子振动快慢的宏观表现。

热辐射与元素组成无关。电子在原子内部像车厢中的乘客一样，时而加速获取能量，时而减速释放能量为电磁波。接近绝对零度的物体发出的电磁波最大能量在微波波段。而太阳辐射的最大能量在可见光波段。

微波背景辐射2.7KCosmic microwave background spectrum

宇宙某一天区的远红外区能量分布，温度14k和59k

绝对零度为摄氏-273度，图中300k为我们的环境温度摄氏27度，黄线5777k为太阳光谱。

第三种情形，紫外光

在正常的核电站中，冷却水中也有幽幽的蓝光，是射线造成的切伦科夫光。

切伦科夫光是带电粒子电离分子形成的电子发出的光，光的最大能量分布在紫外波段，在可见光波段的紫光和蓝光部分也有少许分布，人眼对紫光不敏感，所以我们看到的是蓝光。

1934 年切伦科夫在苏联的《苏联科学院院报》上发表论文，宣布当把镭源发出的辐射穿透某些高折射率的介质，包括液体和固体，并被介质吸收时，从介质里就会发出一种特殊的辐射，是淡蓝色的微弱可见光。人们就把这种特殊的辐射称为切伦科夫辐射。这种辐射应该在以前几十年中间早已被医生和 X 射线专家观察到过，因为用 X 射线和 γ 射线照射荧光物质，会发出强烈的荧光，在一定的条件下就应该会伴随有切伦科夫辐射。但是，从来没有人注意到这件事。大家都把由此出现的发光现象都归于荧光或磷光。切伦科夫具有敏锐的观察力，他注意到了多年来普遍未加注意的现象。他不相信这种光学现象真是荧光现象。从第一次实验起他就坚信自己的怀疑是正确的。例如，他发现这一辐射与液体的成分基本无关，这与荧光的特性不符。在用多次蒸馏过的水做实验之后，他又排除了是水中杂质引起荧光的可能性。

两位切伦科夫的同事弗兰和塔姆联名在 1937 年对切伦科夫辐射作出了理论上的解释。切伦科夫辐射与加速带电粒子的辐射有本质上的不同。加速带电粒子的辐射是单个粒子的辐射效应，而切伦科夫辐射是运动带电粒子与介质中的束缚电荷及诱导电流所产生的集体效应。

1958 年诺贝尔物理学奖授予苏联莫斯科苏联科学院物理所的切伦科夫（Pavel Alekseyevich Cherenkov，1904—1990）、弗兰克（Il´ja Mikhailovich Frank，1908—1990）和塔姆（Igor Yevgenyevich Tamm，1885—1971），表彰他们发现和解释了切伦科夫效应。

切尔诺贝利的死亡蓝光

1986年4月26日，切尔诺贝利核电站发生事故，放射线使空气中的氮气和氧气分子能量升高，处于激发态，等氮气和氧气分子再回到低能量的常态时，辐射出蓝色辉光。在核电站的上空产生了蓝色光柱。

在正常的        111111111111111111

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第四种情形，X光

用高能电子激发金属，电子束中的电子轰击靶金属原子后，速度降低，其损耗的能量以X光的形式释放，光谱的形状(下图中Continuous spectrum-bremsstrahlung)和热辐射光谱的形态一致，不过是波段的平移而已，最大能量分布在X光波段，Angstrom为长度单位埃米，10^-10米，0.1纳米（nm）。

 原子中的电子有不同的轨道分布，简单而言离原子核近的内层电子能量最低，外层电子能量最高。当粒子轰击原子时，外层电子受到的干扰最大，内层电子受到的干扰小。如果轰击而来的粒子能量够大，就能将内层电子敲走，留出的空位被外层高能级的电子补充，能级差的能量释放出来就是特征光谱Characteristic spectrum。

 上图中高能电子除了产生韧致辐射的X光外，还会产生受激辐射的特征X光谱。

第三部分 宇宙中全光谱能量分布

现在科学家研究特定天区全光谱（从无线电到伽马）的能量分布，下图是一个天区的具体例子。 X-ray to radio spectral energy distribution (SED) of the z=2.483 radio galaxy 4C+23.56 (De Breuck et al. in preparation。可见刹车辐射都近似向左偏态的正态分布。自然界中的光多是是连续分布的光谱，极少看到单一谱线的光。