Механизм электромагнитного излучения ускоренными зарядами

[wrest]

Подскажите пожалуйста учебник или книжку где ясно, понятно и подробно описывается механизм электромагнитного излучения свободными электронами.

Например, если электрон в атоме(молекуле) переходит из одного состояния ("орбиты") в другое, то излучается фотон с какой-то частотой, соответствующей разности энергий "орбит". Это тепловое излучение мне примерно понятно.

А вот если если взять в руку заряженный предмет и махать им, то поскольку заряд будет двигаться с ускорением, то должны излучаться электромагнитные волны, с частотой движения руки. А как это излучение происходит? Фотоны именно частоты движения руки отрываются от электронов? Где-то описан механизм этого?

То же самое с например вибраторной антенной, электроны движутся туда-сюда, вокруг антенны возникают волны, а как и почему фотоны вообще "отрываются" от электронов в этом случае?

В учебниках (по электродинамике) которые попадались какое-то мутное описание, там исходят из того что мы смотрим на вибратор откуда-то издалека где уже волна сферическая, там вообще это описывают "для галочки", поле вблизи вибратора не рассматривается. А если я машу зарядом с частотой 1 герц, то "ближняя зона" будет несколько миллионов километров, в ней что происходит?

[Pphantom]

wrest в сообщении #1149668 писал(а):

Например, если электрон в атоме(молекуле) переходит из одного состояния ("орбиты") в другое, то излучается фотон с какой-то частотой, соответствующей разности энергий "орбит". Это тепловое излучение мне примерно понятно.

Вообще-то это не тепловое излучение.

wrest в сообщении #1149668 писал(а):

А вот если если взять в руку заряженный предмет и махать им, то поскольку заряд будет двигаться с ускорением, то должны излучаться электромагнитные волны, с частотой движения руки. А как это излучение происходит? Фотоны именно частоты движения руки отрываются от электронов? Где-то описан механизм этого?

Традиционно прорекламирую "отечественного производителя", тем более что в качестве (стартового) обзора по механизмам излучения это весьма удобная книга: Д.И. Нагирнер - Радиационные механизмы в астрофизике

[rustot]

Это неконструктивный подход, все равно что устройство автомобиля пытаться начать изучать сразу с устройства ядра атома, минуя изучение законов механики.

Сначала изучите как это все работает на уровне сплошных полей и непрерывных сил с их стороны, а потом уже, совершенно отдельный вопрос, как эти поля квантуются.

Тогда это будет так же как изучение автомобиля через сплошные шестеренки, силы действующие между ними, а потом совершенно отдельно от этого вопрос о том как на микроуровне устроен материал шестеренок.

[Munin]

Ваши вопросы подразумевают очень разные уровни понимания, и соответственно, учебника.

На классическом уровне - ЛЛ-2.
На квантовом (с переходами в атоме / в плазме / в конд. состоянии) - это нужно уже знать КМ и квантовый статфиз (например, ФТТ). Наверное, Нагирнер, предложенный Pphantom-ом, из этого сектора.

-- 06.09.2016 20:56:56 --

wrest в сообщении #1149668 писал(а):

поле вблизи вибратора не рассматривается. А если я машу зарядом с частотой 1 герц, то "ближняя зона" будет несколько миллионов километров, в ней что происходит?

В ней происходит сложное "безобразие", не являющееся (ещё) волной. Энергия может перетекать как от заряда к полю, так и от поля к заряду. Рассчитать его в общем случае трудно. И в общем случае не нужно. В элементарном случае, когда вокруг нет проводящих тел, а единственный заряд - у вас в руке (или в вибраторе), можно просто взять запаздывающие потенциалы. В каких-то более сложных и практических случаях - приходится решать уравнения Максвелла смотря по конкретике.

Эти вещи сейчас бывают востребованы в разных ближнепольных технических решениях: от ближнепольной оптики до беспроводной подзарядки мобильников. Соответственно, есть и пакеты для численного расчёта.

[wrest]

Pphantom в сообщении #1149672 писал(а):

Традиционно прорекламирую "отечественного производителя", тем более что в качестве (стартового) обзора по механизмам излучения это весьма удобная книга: Д.И. Нагирнер - Радиационные механизмы в астрофизике

Спасибо, посмотрю.

-- 07.09.2016, 10:13 --

Munin в сообщении #1149682 писал(а):

Ваши вопросы подразумевают очень разные уровни понимания, и соответственно, учебника.

Ну, я по образованию радиоинженер (антенно-фидерные устройства) :)

Цитата:

В каких-то более сложных и практических случаях - приходится решать уравнения Максвелла смотря по конкретике.

Я как-то пробовал, давно, на последнем курсе института. Практический случай был технически простой. Над проводящей поверхностью установлены симметричные полуволновые вибраторы (диполи герца), в общем случае - не эквидистантно, представляющие из себя антенную решетку.

Нужно было посчитать две вещи
- как изменится диаграмма направленности вибратора если одно плечо вибратора наклонить в сторону подложки
- какую поправку в общую диаграмму направленности решетки вносит взаимодействие элементов решетки между собой и как надо разместить элементы чтобы влияние уменьшить

На первый вопрос был практический ответ (измерениями) -- наклонится в сторону наклона плеча (что соответствует и здравому смыслу тоже). Но выкладки говорили о другом -- останется симметричной относительно нормали к подложке. В пользу этого здравый смысл тоже имел резон: поскольку подложка проводящая (по сути - зеркало), то диаграмма от "зеркального" вибратора наклонится в другую сторону и наклон скомпенсируется.

Второй вопрос оказался настолько сложным, что не получилось вообще ничего.

Тогда я понял что чего-то недопонимаю в уравнениях Максвелла, какие-то граничные условия или еще чего, и забил.

А сейчас из праздного любопытства решил таки восполнить пробел в понимании основного момента -- как именно (механизм) излучаются волны, с учетом того что их переносчиками являются частицы (фотоны).

[realeugene]

wrest в сообщении #1149668 писал(а):

А как это излучение происходит? Фотоны именно частоты движения руки отрываются от электронов? Где-то описан механизм этого?

Нет никакого "механизма". Есть уравнения, которые связывают электромагнитное поле и движение зарядов. Но и сам смысл этих понятий, "заряд" и "поле", определяются этими уравнениями. Заряд и поле связаны неразрывно. Фотоны - это существенно квантовые частицы, рассуждать в отношении них как о мячиках опасно. При излучении фотона квантовая система в целом переходит в состояние с иным количеством фотонов, при этом, фотоны могут рассматриваться как бесконечные в пространстве и времени плоские волны. А сферические волны - это немного такой плоской волны, немного такой, и так до бесконечности. Что такое разложение по базису вы должны помнить.

[wrest]

realeugene в сообщении #1149821 писал(а):

wrest в сообщении #1149668 писал(а):

А как это излучение происходит? Фотоны именно частоты движения руки отрываются от электронов? Где-то описан механизм этого?

Нет никакого "механизма". Есть уравнения, которые связывают электромагнитное поле и движение зарядов. Но и сам смысл этих понятий, "заряд" и "поле", определяются этими уравнениями.

Как это "нет механизма"?
Я собственно почему вопрос-то и задал. Попадаются иногда тексты типа такого: лженаучная ссылка удалена

Цитата:

Однако, в конечном итоге все
попытки такого описания сводятся к тому, что, мол, уравнения Максвелла
предсказывают «отрыв» переменного поля от своего источника и его дальнейшее
распространение в форме электромагнитных волн. То есть вместо какого-либо
понятного физического механизма излагают математический результат
решения уравнений. Что же такое на самом деле этот «отрыв» поля, и каковы его
причины не объясняется.

Там дальше какая-то своя теория излучения, я не вникал.
Но действительно, в учебниках пишут про уравнения Максвелла (манипулируют), силовые линии и все такое, а механизм не описывается. Надеюсь, что в посоветованном выше "Д.И. Нагирнер - Радиационные механизмы в астрофизике" расписано подробней, я еще пока не вник туда. В начале там как у всех -- что такое уравнения Максвелла, ротор и дивергенция, непрерывность, затем что такое интервал в 4-х пространстве-времени, времениподобные и светоподобные интервалы и т.п. Пока до механизмов не дочитал еще (если они там вообще описаны).

Цитата:

Фотоны - это существенно квантовые частицы, рассуждать в отношении них как о мячиках опасно. При излучении фотона квантовая система в целом переходит в состояние с иным количеством фотонов, при этом, фотоны могут рассматриваться как бесконечные в пространстве и времени плоские волны.

Как мячики опасно, окей, а рассматривать что-то физическое как бесконечное в пространстве и времени -- не опасно?

Pphantom:

Не надо давать ссылки на явную чушь. В то, что ее кто-то сподобился сочинить, Вам поверят на слово, а лишняя реклама текстам такого рода совершенно не требуется.

[realeugene]

wrest в сообщении #1149828 писал(а):

Попадаются иногда тексты типа такого:

Мало ли, что на заборе написано? Читайте нормальные учебники.

wrest в сообщении #1149828 писал(а):

Как мячики опасно, окей, а рассматривать что-то физическое как бесконечное в пространстве и времени -- не опасно?

Если неграмотно пытаться этим пользоваться - то опасно. Если грамотно - то не более опасно, чем изучаемый первокурсниками матанализ с теорией пределов. Знаете-ли, в матанализе тоже требуется осторожность, чтобы не получить ошибочные результаты. Но это всё стоит на твёрдой математической основе. В отличие от "мячиков".

[arseniiv]

wrest
А каких механизмов вы хотите? (Может, вас не удовлетворит никакое описание, так что стоило бы знать, чему вашем понимании должен удовлетворять «механизм».) Естественнонаучная теория описывает мир, но не может (и не должна) объяснять, почему она с ним с какой-то точностью согласуется. Некоторым подобием объяснения может быть только устройство более точной теории, когда она есть, но, во-первых, там тоже будет математика, и практически всегда более продвинутая, и, во-вторых, даже если перед нами в будущем предстанет теория, абсолютно точно описывающая реальность, мы никогда не сможем убедиться, что это так, по весьма прозаическим причинам. Впрочем, обо всём этом писано-переписано на форуме раз сто — попробуйте поискать.

[wrest]

arseniiv в сообщении #1149833 писал(а):

wrest
А каких механизмов вы хотите? (Может, вас не удовлетворит никакое описание, так что стоило бы знать, чему вашем понимании должен удовлетворять «механизм».) Естественнонаучная теория описывает мир, но не может (и не должна) объяснять, почему она с ним с какой-то точностью согласуется. Некоторым подобием объяснения может быть только устройство более точной теории, когда она есть, но, во-первых, там тоже будет математика, и практически всегда более продвинутая, и, во-вторых, даже если перед нами в будущем предстанет теория, абсолютно точно описывающая реальность, мы никогда не сможем убедиться, что это так, по весьма прозаическим причинам. Впрочем, обо всём этом писано-переписано на форуме раз сто — попробуйте поискать.

Ну я в первом посте написал, что примерно мне понятно объяснение, что когда в атоме вдруг внезапно электрон перепрыгивает с орбиты на орбиту, то на разность энергий испускается фотон. Здесь (в таком пояснении механизма "на пальцах") понятен момент излучения, понятна причина. Понятны становятся спектры излучения, где линии соответствуют разницам энергий орбит электронов (всякие мелкие детали типа тонкой структуры -- это уже уточнения). То есть складывается понятная картина, виден физический механизм явления. Вот что-то подобное хотелось бы прочитать и про механизмы излучения ускоренными зарядами.

(Оффтоп)

Касательно более или мене продвинутой математики. Приведу классический пример эпициклов Птолемея, когда он постепенно все усложнял и усложнял модель, а потом (через полторы тысячи лет) выяснилось что всё управляется Ньютоновской гравитацией с математикой проще некуда. Затем начался новый виток усложнений, который правда, с изобретением ОТО ничего особо не упростил.

[realeugene]

wrest в сообщении #1149839 писал(а):

Приведу классический пример эпициклов Птолемея, когда он постепенно все усложнял и усложнял модель, а потом (через полторы тысячи лет) выяснилось что всё управляется Ньютоновской гравитацией с математикой проще некуда.

Дифференциальное исчисление - это "проще некуда"? Для вас после курса математики - возможно, ну а древние греки о таких возможностях математики, даже, не догадывались. Всё определяется вашим образовательным уровнем, именно, в математике. Если вы поняли дифференциальное исчисление - для вас и основанные на нём физические модели будут понятны и "естественны". Если вы не поняли преобразование Фурье (что для антенщика, к слову, означает профнепригодность) - то для вас и разложение локализованных сигналов по бесконечным волнам окажется выше возможностей вашего понимания.

[wrest]

(Оффтоп)

realeugene в сообщении #1149844 писал(а):

wrest в сообщении #1149839 писал(а):

Приведу классический пример эпициклов Птолемея, когда он постепенно все усложнял и усложнял модель, а потом (через полторы тысячи лет) выяснилось что всё управляется Ньютоновской гравитацией с математикой проще некуда.

Дифференциальное исчисление - это "проще некуда"? Для вас после курса математики - возможно, ну а древние греки о таких возможностях математики, даже, не догадывались. Всё определяется вашим образовательным уровнем, именно, в математике. Если вы поняли дифференциальное исчисление - для вас и основанные на нём физические модели будут понятны и "естественны". Если вы не поняли преобразование Фурье (что для антенщика, к слову, означает профнепригодность) - то для вас и разложение локализованных сигналов по бесконечным волнам окажется выше возможностей вашего понимания.

Ну, начинается... Профнепригодность... выше понимания...
Мы же тут не соревнуемся у кого понимание выше или ниже. Я задал простой вопрос -- есть ли где-то понятное описание физического механизма явления. А в ответ -- вопрос поставлен неверно, неконструктивный подход, нет никаких механизмов, смотри уравнения Максвелла из них все следует и т.п.
Нормально ответили пара участников, за что им спасибо -- Pphantom посоветовал конкретную книжку, Munin честно написал что в ближней зоне безобразие (но не удержался и таки сослался на Максвелла).

[realeugene]

Зато вы тут начали цитировать фрика-эфириста и просить "объяснения" на том же уровне. Нет, любые подобные объяснения заведомо некорректны. Вам какой уровень нужен? Любой разумный человек должен знать возможности своего понимания.

Про "отрыв" можно рассуждать только относительно волн, когда они уже убежали достаточно далеко от источника, но не про отрыв поля от заряда вообще. Теорема Гаусса выполняется всегда, и интеграл от напряженности электрического поля по любой замкнутой вокруг заряда поверхности остаётся неизменно ненулевым, как бы заряд внутри ни двигался.

[wrest]

realeugene в сообщении #1149848 писал(а):

Вам какой уровень нужен? Любой разумный человек должен знать возможности своего понимания.

Я же пояснил какой уровень желателен, выше, там где писал про излучение связанным электроном.

Если у меня спросят "а как происходит излучение", я конечно могу напустить туману про дивергенцию и ротор, поправить очки на носу и добить спрашивающего преобразованием Фурье, но это только покажет мою неспособность объяснить суть явления вследствие либо непонимания вопроса либо каких-то дефектов в способности ясно излагать мысли.

Цитата:

Нет, любые подобные объяснения заведомо некорректны.

Конечно, механические аналогии не вполне отражают картину мира, но именно механическая аналогия, например, в виде представление молекул абсолютно упругими шариками привела Больцмана (и Максвелла) к решению до этого нерешенных вопросов с газами.
Механическая аналогия где фотоны-шарики выбивают электроны-шарики (фотоэффект) тоже вполне объясняет механизм явления.

Почему нельзя на подобном уровне объяснить явление излучения фотонов ускоренно движущимися зарядами?

[realeugene]

wrest в сообщении #1149878 писал(а):

Я же пояснил какой уровень желателен, выше, там где писал про излучение связанным электроном.

Электрон у вас вращается по орбите и не излучает при этом?