Когда в физике рассматривают электромагнитное излучение, то приводят традиционную шкалу спектра электромагнитных колебаний, определяемую частотой колебаний. Обычно выделяют радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение и некоторые другие разновидности.
При этом всегда отмечается, что независимо от частоты колебаний электромагнитной волны все виды излучения имеют одинаковую электромагнитную природу. Считается, что все виды излучения являются поперечными электромагнитными колебаниями определённой частоты, распространяющимися в пространстве со скоростью света. Так ли это?
Некоторые сомнения в единой природе всех электромагнитных колебаний начинают закрадываться после ознакомления со статьёй в Википедии, посвящённой электромагнитному излучению:
Электромагни́тные во́лны/электромагни́тное излуче́ние — распространяющееся в пространстве возмущение (изменение состояния) электромагнитного поля.
Среди электромагнитных полей, порождённых электрическими зарядами и их движением, принято относить к излучению ту часть переменных электромагнитных полей, которая способна распространяться наиболее далеко от своих источников — движущихся зарядов, затухая наиболее медленно с расстоянием.
(https://ru.wikipedia.org/wiki/Электромагнитное_излучение)
То есть, в приведённой цитате отмечается, что существуют электромагнитные колебания, которые медленно затухают с расстоянием. Следовательно, существуют электромагнитные колебания другого вида, которые затухают с расстоянием быстро. Попробуем разобраться, что же означает это утверждение. Для этого необходимо рассмотреть, как формируются колебания электромагнитного поля, и какие виды колебаний электромагнитного поля существуют в природе.
Можно выделить четыре основных процесса, приводящих к появлению электромагнитных колебаний.
1. Генерация радиоволн.
Считается, что вокруг заряженной частицы существует электрическое поле. Напряженность электрического поля заряда убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до заряда. При медленном изменении положения заряда происходит деформация электрического поля и возникает магнитное поле, вызванное движением заряда. В случае, когда перемещение заряда носит периодический характер, возникает периодическое изменение напряженности электромагнитного поля колеблющегося заряда. Вид этого колебания поля аналогичен картине, возникающей на поверхности воды при колебании поплавка удочки.
Эти колебания электромагнитного поля имеют классическую волновую природу. Колебания поля характеризуются частотой и амплитудой колебания. Они непрерывны во времени и не имеют дискретного характера. Можно говорить о периоде колебаний, но не имеет смысла говорить о длине волны или энергии волны. Энергия распределена по всему объёму поля. Колебания распространяются непрерывно во всех направлениях. При этом характер деформации поля различается в зависимости от направления относительно оси колебаний заряда. Амплитуда этих колебаний быстро уменьшается с расстоянием. Поэтому электромагнитные колебания такого вида являются быстро затухающими. Именно такой вид электромагнитных колебаний реализуется и применяется в радиоприборах. Поэтому электромагнитные колебания такого вида можно называть радиоволнами.
2. Переход системы зарядов с возбуждённого уровня на основной.
Другой вид электромагнитных колебаний реализуется в атомах при переходе электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий уровень. При этом излучается фотон. Считается, что фотон является квантом электромагнитного поля, характеризующимся частотой колебания электромагнитного поля и соответствующей энергией. Современная физика утверждает, что фотон движется со скоростью света и не изменяет свою энергию при распространении. Видимо, электромагнитные колебания такого типа имелись в виду в приведенной выше цитате, когда говорилось о медленно затухающих видах электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания такого типа принято называть излучением.
Аналогичные фотоны (гамма-кванты) излучаются ядрами атомов при радиоактивном распаде и при других процессах, связанных с переходом системы заряженных частиц из состояния возбуждения в основное энергетическое состояние. Это один и тот же вид излучения, отличающийся только величиной энергии испускаемых фотонов (https://wikipedia.org/wiki/Радиоактивный_распад).
Фотон – это исключительно квантовый объект. Он считается фундаментальной частицей, участвующей в электромагнитных и гравитационных взаимодействиях. Наличие у фотона спина, массы и других характеристик, говорит о том, что он имеет более сложную внутреннюю структуру, чем простая электромагнитная волна. Этот вопрос был рассмотрен в публикации «Часть 2.13. Фотон – это волна или частица? Каковы размеры, масса и заряд фотона?».
Несмотря на дискуссии о том, что фотон является волной или частицей, фотон можно считать специфическим видом колебаний электромагнитного поля.
3. Фрагментация электромагнитного поля.
Существует ещё один своеобразный метод получения электромагнитного излучения. Суть этого метода заключается в том, что при движении заряженных частиц с релятивистской скоростью по криволинейной траектории возникает электромагнитное излучение, называемое синхротронным излучением.
Причина этого излучения заключается в ограничении скорости движения любых объектов скоростью света. При движении с релятивистской скоростью заряженной частицы по окружности дальняя от центра окружности часть электромагнитного поля частицы вынуждена двигаться с меньшей угловой скоростью, чем сама частица. При определенных условиях движения эта часть поля отрывается от частицы и фрагментируется в виде гамма-квантов. То есть фактически при движении частицы по криволинейной траектории поле рассыпается на дискретные части, формирующие синхротронное излучение, имеющее непрерывный спектр (https://wikipedia.org/wiki/Синхротронное_излучение).
Аналогичную природу имеет тормозное излучение заряженной частицы, которое происходит при её рассеянии (торможении) в электрическом поле атомного ядра (https://wikipedia.org/wiki/Тормозное_излучение).
Излучение возникает не только в случае релятивистского движения заряженной частицы по криволинейной траектории. Излучение гамма-квантов частицей происходит в том случае, когда скорость движения частицы в среде выше, чем скорость света в этой среде. В этом случае также происходит отрыв электромагнитного поля от частицы и формирование излучения в виде гамма-квантов. Этот вид излучения называется излучение Вавилова-Черенкова (https://wikipedia.org/wiki/Эффект_Вавилова_—_Черенкова).
Все эти виды излучения объединяет одно – при определённых условиях движения заряженной частицы происходит фрагментация электромагнитного поля, то есть отрыв поля от частицы и формирование излучения в виде гамма-квантов.
Квантовый характер этого излучения не вызывает сомнений. А вот вопрос о том, аналогичны ли излучаемые при этом гамма-кванты фотонам, рассмотренным в предыдущем пункте, остаётся открытым. Дело в том, что фотоны испускаются системой заряженных частиц при переходе из возбужденного состояния в основное. При этом входящие в систему частицы могут передавать фотону некоторые свои свойства. В отличие от этого, гамма-кванты синхротронного излучения формируются из фрагментов электромагнитного поля заряженной частицы при его отрыве от частицы. Какую структуру и свойства при этом приобретают полученные гамма-кванты не очень понятно.
4. Аннигиляция.
Самым любимым всеми фантастами методом получения излучения является процесс аннигиляции.
Аннигиля́ция (лат. annihilatio «полное» уничтожение; отмена») — реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных.
Наиболее изученной является аннигиляция электрон-позитронной пары. При низких энергиях сталкивающихся электрона и позитрона, а также при аннигиляции их связанного состояния — позитрония — эта реакция аннигиляции даёт в конечном состоянии два или три фотона, в зависимости от ориентации спинов электрона и позитрона. При энергиях порядка нескольких МэВ становится возможной и многофотонная аннигиляция электрон-позитронной пары. При энергиях порядка сотен МэВ в процессе аннигиляции электрон-позитронной пары рождаются в основном адроны.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Аннигиляция
Конечным продуктом аннигиляции являются фотоны. Сами по себе фотоны, образующиеся при аннигиляции, ничем не отличаются от фотонов, получаемых при переходе системы заряженных частиц из возбуждённого состояния в основное. Но обсудить в этом разделе хотелось бы не излучаемые фотоны, а образующиеся при аннигиляции калибровочные бозоны, которые являются промежуточными частицами при электромагнитных взаимодействиях. Физика элементарных частиц считает фотон калибровочным бозоном, переносчиком электромагнитных взаимодействий (https://wikipedia.org/wiki/Фотон). Что очень странно. Дело в том, что квазичастицу, которая образуется при аннигиляции нельзя назвать фотоном. Фотон, это стабильная элементарная частица, движущаяся со скоростью света. Калибровочный бозон не может быть стабильным. Его время жизни должно быть порядка 10^-25 секунд, как и у W, Z-бозонов, ответственных за слабые взаимодействия.
Квазичастицу, образующуюся при аннигиляции, можно назвать гамма-бозоном. Это промежуточное энергетическое состояние системы, характеристики которого зависят от параметров исходной системы. Этот гамма-бозон распадается на фотоны или адроны, в зависимости от параметров состояния. Время жизни этого бозона настолько мало, что свет за это время проходит расстояние менее размеров протона. Тем не менее, это энергетическое состояние можно назвать электромагнитным колебанием, имеющим очень специфические свойства.
Таким образом, в результате рассмотренных четырёх процессов возникают колебания электромагнитного поля, которые существенно отличаются друг от друга по своим характеристикам. При этом очевидно, что радиоволны, имеющие волновую природу, имеют мало общего с фотонами, имеющими квантовую природу. Поэтому при рассмотрении и описании физических процессов, связанных с излучением и распространением электромагнитных волн, необходимо иметь в виду природу этого излучения, определяемую процессами, вызвавшими это излучение.
