В статье авторы – физики-теоретики – ставят своей задачей по возможности в более простой форме изложить то новое, что стало достоянием науки в результате последних исследований излучений электромагнитных волн при участии заряженных частиц.

Начало таким исследованиям положили замечательные работы И.Е. Тамма, И.Н. Франка, объяснивших природу эффекта Вавилова – Черенкова, и В.Л. Гинзбурга, И.Н. Франка, рассмотревших феномен переходного излучения электромагнитных волн. Далее эти исследования были продолжены большими группами исследователей в Советском Союзе, включая авторов данной статьи.

По сути речь идет об открытии нового механизма излучения, отличающегося от существующих представлений, но не отменяющего, а дополняющего прежние представления. Было показано, что описываемые в статье процессы играют фундаментальную роль в образовании электромагнитных излучений при особом взаимодействии заряженных частиц с вещественными средами. Авторам удалось выполнить свою задачу, изложив новые представления «по возможности в более простой форме». Но сами эти представления носят достаточно сложный характер, требующий от читателя некоторой подготовленности в вопросах физики излучений электромагнитных волн. Поэтому считаю необходимым коротко остановиться на ныне существующих представлениях о процессе излучения света в вещественных средах.

Такие представления смогли возникнуть после того, как произошел прорыв науки в область микромира, в самом начале ХХ века. Выяснилось, что излучают свет вещественные микрочастицы – атомы, ионы и молекулы. Например, в среде, состоящей из большого количества атомов, происходят акты их взаимодействия, условно называемые столкновениями частиц. При рассмотрении сред, в которых отсутствуют электрические заряды, была создана модель протекания таких процессов взаимодействия, предполагающая парные столкновения частиц. На основе такой модели создана кинетическая теория газов, позволяющая осуществить статистический подход к описанию подобных процессов. В рамках такого подхода стало возможным перейти от процессов, протекающих на уровне микромира, к описанию состояния газа с помощью параметров макромира, таких, как температура, теплопроводность, теплоперенос, диффузия и некоторые другие. Поглощение и излучение света так же происходят в процессах парных столкновений атомов.

Столкновения могут происходить упруго, тогда возможно перераспределение кинетической энергии между сталкивающимися частицами, изменение момента количества движения каждой частицы, но при этом не происходит изменение внутренней энергии таких частиц, строго соблюдаются законы сохранения энергии и сохранения момента количества движения. Более существенное значение имеют неупругие соударения частиц, хотя вероятность их протекания значительно меньшая, чем для упругих соударений (все зависит от температуры и плотности частиц в среде). При неупругом соударении внутренняя энергия одной из частиц увеличивается за счет передачи ей определенной части кинетической энергии партнера. Состояние частицы с возросшей внутренней энергией называют возбужденным. Следует лишь напомнить, что в микромире передача энергии от частицы к частице может происходить только определенными дискретными порциями.

Возбужденное состояние частицы является неустойчивым, в среднем ей отпущено вполне определенное время существования в таком состоянии. После чего она освобождается от избытка энергии, в том числе путем излучения этого избытка в виде фотона определенной длины волны, и возвращается в исходное устойчивое состояние. Такое излучение называется спонтанным. Существует другой вид излучения под названием вынужденного излучения, но его здесь касаться не будем. Необходимо отметить, что описанный механизм создает линейчатый спектр излучения, в этом спектре существуют отдельные линии разных цветов (разных длин волн), разделенные темными промежутками. Вариант подобного взаимодействия – когда пролетающая вблизи атома частица попадает на время в поле действия потенциала ядра атома, она меняет направление движения и при этом отдает часть кинетической энергии в виде излучения. Длина волны такого излучения может быть произвольной. В среде, состоящей из большого количества атомов, в которой происходят подобные процессы взаимодействия, создается суммарное излучение с непрерывным распределением по длинам волн, его называют тормозным излучением.

Однако вне Земли более 99,9% вещества находится в состоянии плазмы, когда в не слишком малом объеме содержится равномерно распределенное равное количество положительных и отрицательных зарядов. Плазменное состояние вещества широко применяется в многочисленных устройствах и системах, используемых человеком в своих целях. А к системам, содержащим заряженные частицы, модель парных соударений неприменима. Создаваемые зарядами кулоновские взаимодействия носят дальнодействующий характер, поэтому парные соударения не могут описать те процессы, в том числе и процессы излучения, которые протекают в плазме. Здесь возникает проблема коллективного характера протекающих взаимодействий, в которых одновременно участвуют многие частицы разных сортов.

На этом следует завершить краткий обзор существующих представлений о механизмах излучения электромагнитных волн в случае взаимодействия нейтральных частиц, и перейти к теме рассматриваемой нами статьи.

Речь идет о взаимодействиях заряженных частиц со средой, состоящей либо из нейтральных атомов, либо, как в случае плазмы, состоящей из заряженных частиц с разными знаками зарядов. Утверждается, что для излучения нужно ускоренное движение заряда, при этом изменяют свое движение одни частицы, а отдают энергию и импульс в виде электромагнитной волны совсем другие частицы. Утверждение достаточно общее, поскольку оно справедливо и для рассмотренного нами ранее случая излучения взаимодействующих нейтральных частиц. Новым является то, что движущаяся заряженная частица вызывает поляризацию атома, сдвигая его электронные оболочки к дальней от частицы стороне, иначе говоря, образуя из нейтрального атома диполь. После прохождения частицы атом возвращается в свое исходное состояние, поляризация снимается. Но одновременно могут поляризоваться несколько атомов, тем более, что каждый из них поляризует в свою очередь близлежащие атомы. На эти процессы затрачивается определенная энергия, источником которой служит пролетающая заряженная частица. Свертывание поляризации сопровождается излучением электромагнитной волны, уносящей энергию частицы-снаряда и часть импульса. В общем случае подобные эффекты трактуются как коллективное излучение электромагнитной волны. Авторы пишут, что механизмы коллективного излучения превратились в новую физическую концепцию. А основной эффект при этом состоит не в передаче энергии от частицы волне, а когерентность поляризации атомов, возникающих из-за воздействия поля частицы на атомы среды. В отсутствии когерентного сложения переменных поляризаций отдельных атомов процесс излучения был бы невозможен.

В случае плазмы пролетающая заряженная частица-снаряд воздействует на заряженный ион, окруженный экранирующими его электронами. Тогда эффективно поляризуется весь конгломерат, состоящий из иона и экранирующих его свободных электронов. В остальном коллективный характер взаимодействий, приводящий к излучению электромагнитной волны, аналогичен сказанному выше. Для заключения остается привести следующие слова авторов: «Итак, полученные пока лишь на примере плазмы результаты дают основание для весьма важной экстраполяции наших знаний о природе излучения – оно в основной части обязано быть коллективным излучением. Это очень важный и принципиальный вывод».

Подробнее о новой концепции излучения читатель узнает из самой статьи.

Статья поступила в редакцию 02.02.2005 г.