<script language="JavaScript" src="http://www.vcharkarn.com/javafeed/article/109" type="text/javascript"></script>

ฟิสิกส์ของแสงซินโครตรอน บทความจากศูนย์วิจัย Synchrotron แห่งชาติ ผู้เขียน: เปี้ยว ชมแล้ว: 17,798 ครั้ง post ครั้งแรก: Tue 26 February 2002, 7:45 pm ปรับปรุงล่าสุด: Tue 26 February 2002, 7:45 pm อยู่ในส่วน: ฟิสิกส์

เมื่อกล่าวถึงแสงซินโครตรอน โดยทั่วไปเราหมายถึงแสง (คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า) ซึ่งถูกผลิตโดยเครื่องมือพิเศษที่เรียกว่า เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน ซึ่งโดยหลักการทำงานของเครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอน เราได้คำจำกัดความของแสงซินโครตรอน คือ

?"คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยออกมาจากอิเล็กตรอน (หรือโพสิตรอน) ซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง ขณะกำลังเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็ก"

แสงซินโครตรอนเกิดขึ้นได้อย่างไร

ไม่ใช่เพียงอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนเท่านั้น แต่ความจริงแล้วอนุภาคมีประจุทุกชนิด เมื่อเคลื่อนที่จะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ ปรากกการณ์นี้อธิบายได้ด้วยสมการแม่เหล็กไฟฟ้าของแมกซ์เวลล์

?โดย และ เป็นสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็ก คือความหนาแน่นประจุ คือความเร็วแสง
คือเวลา และ เป็นความเร็วของประจุหารด้วยความเร็วแสง?จากสมการของแมกซ์เวลล์ เราเห็นได้ทันทีว่าประจุที่เคลื่อนที่ นั้นเป็นแหล่งกำเนิดสนามแม่เหล็กและสนามไฟฟ้า ซึ่งก็คือคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า เพื่อให้เห็นได้ชัดเจน เราแก้สมการของแมกซ์เวลล์ ซึ่งได้ผลลัพธ์คือ

โดย เป็นค่าประจุไฟฟ้า คือระยะห่างจากแหล่งประจุ และ คือค่าความเร่งของประจุ (หารด้วยความเร็วแสง) เราจะเห็นได้ว่าผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์ให้ลักษณะสนามไฟฟ้า (และเป็นทำนองเดียวกันสำหรับสนามแม่เหล็ก) ที่ประกอบด้วยสองส่วน คือ ส่วนแรกแปรผกผันกับระยะทางจากแหล่งประจุยกกำลังสอง และไม่ขึ้นกับความเร่งของประจุ ส่วนที่สองแปร ผกผันกับระยะทางจากแหล่งประจุและขึ้นกับทั้งความเร็วและความเร่งของประจุด้วย คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในส่วนแรกนั้น มีค่าลดลงอย่างรวดเร็ว (เนื่องจากแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง) และมีความสำคัญ ที่บริเวณใกล้ๆแหล่งประจุเท่านั้น และเนื่องจากแหล่งประจุคืออนุภาคซึ่งมีขนาดเล็กมาก ดังนั้นแสงซินโครตรอนจึงเกี่ยวข้องกับส่วนที่สอง เท่านั้น และสิ่งสำคัญ ที่เราได้จากผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์ก็คือ แสงซินโครตรอนเกิดขึ้นเมื่อประจุเคลื่อนที่ด้วยความเร่งเท่านั้น

ทำไมต้องทำให้อิเล็กตรอนเลี้ยวโค้งในสนามแม่เหล็ก

ในการพิจารณาลักษณะของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ถูกปลดปล่อยจากอนุภาคมีประจุนี้ เราพิจารณาปริมาณทางฟิสิกส์ที่เรียกว่า กำลังการแผ่รังสี (radiation power) ซึ่งแปรผันกับค่าสนามไฟฟ้ายกกำลังสอง และเป็นปริมาณที่บอกค่าความเข้มแสง

?เราใช้ผลลัพธ์ของสมการของแมกซ์เวลล์หาค่ากำลังการแผ่รังสีดังกล่าว และแยกกำลังการแผ่รังสีออกเป็นสองส่วนคือส่วนที่เกิดจากความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ และส่วนที่เกิดจากความเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ กล่าวคือ

?เนื่องจากความเร่งนั้นสัมพันธ์กับแรง เราสามารถหาค่ากำลังการแผ่รังสีในรูปของแรงเร่ง
ใน แนวตั้งฉากและแรงเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ได้ โดยได้ผลลัพธ์คือ

โดย คือมวลของประจุ และ คือ Lorentz factor ?(ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานของประจุหารด้วย พลังงานมวลนิ่ง)

?จะเห็นได้ว่า ด้วยแรงเร่งเท่ากัน แสงที่ถูกปลดปล่อยออกจากประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่นั้น มีความเข้มสูงกว่าแสง ที่ถูกปลดปล่อยออกจากประจุที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่ง ในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ถึง? เช่น? อิเล็กตรอนพลังงาน 1 GeV มีค่า width=80> ดังนั้นอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่จะปลดปล่อยแสงที่มีความเข้มสูงกว่าอิเล็กตรอนที่เ คลื่อนที่ด้วยความเร่งในแนวขนานกับการเคลื่อนที่ถึงเกือบ 4
ล้านเท่า!!

color=#0000ff>หากต้องการแสงซินโครตรอนซึ่งมีความเข้มสูง ต้องทำให้ประจุเกิดความเร่งในแนวตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ นั่นคือทำให้ ประจุเลี้ยวโค้งโดยการเคลื่อนที่ผ่านสนามแม่เหล็ก (จากผลของ Lorentz force)

ทำไมต้องอิเล็กตรอน


ไม่เพียงแต่อิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนเท่านั้น อนุภาคมีประจุทุกชนิด เมื่อเคลื่อนที่จะปลดปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเสมอ เพียงแต่เราเห็นได้จากค่ากำลังการแผ่รังสี width=24> ว่าความเข้มแสงที่ถูกปลดปล่อยออกมานั้นแปรผกผันกับมวลของอนุภาคยกกำลังสี่ นั่นเป็นเหตุผลที่ เครื่องกำเนิดแสงซินโครตรอนใช้อนุภาคอิเล็กตรอนหรือโพสิตรอนซึ่งเป็นอนุภาคมีประจุที่มีมวลน้อยที่สุด

ทำไมต้องความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง

ประจุซึ่งเคลื่อนที่ด้วยความเร็วต่างกันจะปลดปล่อยแสงที่มีลักษณะต่างกัน เราพิจารณากำลังการแผ่รังสีของประจุที่เคลื่อนที่ ด้วยความเร็วต่างกันสองค่าดังรูป

จะเห็นได้ว่า ยิ่งอนุภาคเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง จะยิ่งปลดปล่อยแสงออกมาในมุมที่เล็กยิ่งขึ้น
(ในทิศของการเคลื่อนที่) ดังนั้น

แสงซินโครตรอนซึ่งปลดปล่อยจากอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วเข้าใกล้ความเร็วแสง
จึงเป็นแสงที่ลำเล็ก และมีความคมสูงมาก (highly collimated light)

---

บทความอื่น

บทความแนะนำ

Blog แนะนำ

Hot Links

คลังข้อสอบ | ข่าววิชาการ
เล่นกล/เกม | อ่านนิยาย
ข่าวทุนการศึกษา | ลิงค์

ขอบคุณผู้สนับสนุน