[Ответ на вопрос читателя В. Красина по статье «Электрон излучает фотоны»]
45
Спрашивайте — отвечаем
В этом номере журнала мы помещаем ответ на вопрос нашего читателя В. Красина, ученика 10 класса московской школы.
Уважаемая редакция!
В статье «Электрон излучает фотоны» («Квант», 1974, № 12) рассказывается о том, что ускоренно движущаяся заряженная частица излучает электромагнитную энергию, и приводится формула для подсчета интенсивности этого излучения:
(е — заряд, а — ускорение частицы).
С другой стороны, приводится пример с постоянным током, текущим по криволинейному контуру, и говорится, что «такой ток создает постоянное магнитное поле, но не излучает».
Прочитанное вызвало у меня два вопроса:
-
Почему, двигаясь по искривленному проводнику, а значит, с ускорением, электроны не излучают?
-
Не противоречит ли отсутствие излучения даже в случае тока, текущего по прямолинейному проводнику, классической электронной теории металлов? Согласно этой теории носителями тока в металлах являются свободные электроны, которые в отсутствие электрического поля движутся хаотически. Под влиянием электрического поля на хаотическое движение накладывается упорядоченное движение, такое, что средняя скорость электронов отлична от нуля. Движущийся по проводнику электрон испытывает столкновения с ионами кристаллической решетки, отдавая им полностью энергию, накопленную при движении между столкновениями (эта энергия выделяется в виде тепла). Средняя скорость электронов не изменяется со временем, если по проводнику течет постоянный ток. Но ведь в промежутках между столкновениями электрон движется ускоренно, и следовательно, он должен излучать.
Ниже мы публикуем ответ авторов статьи «Электрон излучает фотоны».
Эти вопросы возникли из-за не совсем точной формулировки, допущенной в статье.
Начнем со второго вопроса. В. Красин кратко и правильно описал процесс прохождения тока через металл. Мы, воспользовавшись именно теми представлениями, которые он изложил, проведем небольшой расчет.
Рассмотрим прямолинейный проводник, по которому течет постоянный ток. Выделим 1 этого проводника, посчитаем энергию, излучаемую за 1 секунду электронами, движущимися в этом участке проводника, и сравним ее с количеством тепла, выделяемого ежесекундно в этом объеме. Так как между столкновениями каждый электрон движется с ускорением (е — заряд электрона, m — его масса, E — напряженность электрического поля), то он излучает энергию. Согласно формуле (1) цитируемой статьи интенсивность этого излучения равна
а интенсивность излучения N электронов равна соответственно
Согласно закону Джоуля — Ленца количество тепла, выделяющегося в проводнике с сопротивлением R за 1 с, равно . Величину тока i
45
46
можно выразить через плотность тока : ( — площадь поперечного сечения проводника). Плотность тока связана с напряженностью электрического поля: , где — удельная электропроводность. (Напомним, что , где — удельное сопротивление проводника длины и поперечного сечения .) Тогда количество тепла, выделяющегося ежесекундно в 1 проводника, объем которого , равно
Выразим через параметры электронов, исходя из классической теории проводимости. Если средняя скорость направленного движения электронов , то плотность тока . С другой стороны, , так что .
Найдем, чему равна скорость .
Двигаясь с ускорением , к концу свободного пробега электрон приобретает скорость ( — время свободного пробега). Среднее значение скорости направленного движения равно .
Время можно найти как отношение длины свободного пробега электрона к скорости его теплового движения (скорость направленного движения во много раз меньше скорости хаотического движения ), то есть
Следовательно, . В 1 проводника ежесекундно выделяется тепло
Найдем теперь отношение энергии, излучаемой электронами, к выделившемуся теплу:
Придадим этому выражению более
наглядный вид, введя классический радиус электрона :
Оценим величину этого отношения. Так как см, длина свободного пробега не менее , а средняя скорость теплового движения электрона , то
Видно, сколь мало излучение, обусловленное ускоренным движением электронов между столкновениями. В принципе оно может быть обнаружено, однако в большинстве практических вопросов это излучение не играет никакой роли.
Теперь обратимся к первому вопросу письма В. Красина. Рассмотрим криволинейный проводник, например, проводящий контур, имеющий форму окружности радиуса . Для хаотического движения электронов форма проводника, естественно, не существенна, так как длина свободного пробега, как правило, значительно меньше его наименьшего размера, тем более радиуса окружности (электрон между столкновениями «не знает», искривлен проводник или нет). А вот в среднем электрон, конечно, движется по окружности, и значит, с ускорением . Однако это ускорение очень мало, меньше даже, чем ускорение между столкновениями. Проверим это утверждение. От неравенства можно перейти к неравенству
которое заведомо выполняется, так как , а (величину легко оценить, воспользовавшись выражением для плотности тока и тем, что ).
Ясно, что излучение, связанное с ускоренным движением на искривленных участках, конечно можно не учитывать.
М. Ц. Каганов, Г. Я. Любарский