Sinhrotronsko zračenje

Maglina Rak: plavičasti deo predstavlja sinhrotronsko zračenje.

Sinhrotronsko zračenje je elektromagnetsko zračenje koje emituju naelektrisane elementarne čestice (najčešće elektroni) dok se kreću u magnetnom polju relativističkim brzinama reda veličine brzine svetlosti. Sinhrotronsko zračenje je snažno polarizovano zračenje. Veliki deo elektromagnetnog zračenja koje potiče iz pulsara, radio-galaksija ili iz magline Rak spada u sinhrotronsko zračenje. Sa porastom energije čestice smanjuje se njena talasna dužina zračenja. Sinhrotronsko zračenje se proizvodi na primer u sinhrotronima pomoću magneta za savijanje, ondulatora i/ili viglera. Ako je čestica nerelativistička, emisija se naziva ciklotronskom radijacijom. Ako su čestice relativističke, koje se ponekad nazivaju i ultrarelativističke, emisija se naziva sinhrotronskom emisijom.

Slikovni prikaz procesa emisije zračenja od izvora koji se kreće oko Švarzčajldove crne rupe u de Siterovom svemiru.

Sinhrotronsko zračenje nastaje iz zakretnog magneta u sinhrotronu.

U astrofizici se sinhrotronska emisija javlja, na primer, usled ultrarelativističkog kretanja izvora oko crne rupe. Kada izvor manifestuje kružnu geodeziju oko crne rupe, sinhrotronsko zračenje se javlja za orbite blizu fotosfere gde je kretanje u ultrarelativističkom režimu.

Sinhrotron

Sinhrotron je akcelerator čestica kod kojeg se naelektrisane čestice kreću po kružnoj putanji u homogenom magnetnom polju. Brzine takvih čestica su konstantne.

Jednačine kretanja čestice u sinhrotronu su:

${\frac {d{\vec {p}}}{dt}}=q{\vec {v}}\times {\vec {B}}$

${\frac {d\mathrm {E} }{dt}}=0$

Za ultrarelativističke čestice, odnosno čestice koje se kreću vrlo velikim brzinama bliskim brzini svetlosti, gubici energije su vrlo veliki, jer su proporcionalni četvrtom stepenu energije čestica. Da bi brzina čestice u sinhrotronu bila održana, ovi gubici se moraju stalno nadoknađivati, te je za rad sinhrotrona potrebno obezbediti ogromne količine energije.

Zakočno zračenje

Glavni članak: Zakočno zračenje

Mesje 87: plavo svetlo mlaza koji izlazi iz svetlog jezgra nastaje zbog sinhrotronskog zračenja.

Skica rendgenskog zakočnog zračenja putem zakočenja brzog elektrona u Kulonovom polju atomskog jezgra.

Šema sinhrotrona SOLEIL u Parizu.

Sinhrotronsko zračenje koje se reflektuje iz kristala terbijuma u Sinhrotronskog radijacionog izvora u Darsberiju, 1990.

Način rada ondulatora: 1: magneti, 2: snop elektrona koji ulazi s gornje leve strane, 3: sinhrotronsko zračenje koje izlazi u donju desnu stranu.

Zakočeno zračenje, kočno zračenje, bela radijacija ili zakočno zračenje je elektromagnetsko zračenje (uključujući sinhrotronsko zračenje) koje nastaje pri ubrzanju slobodne električno nabijene čestice. U užem smislu, to je zračenje kojim elektroni gube energiju i bivaju usporeni pri prolazu kroz hemijsku materiju. Naziv je (prema nem. Bremsstrahlung) uveo A. Zomerfeld 1909. pri proučavanju rendgenskoga zračenja što ga zaustavljanjem u materiji proizvode elektroni, prethodno ubrzani u elektronskoj cevi. Generalno je reč o rendgenskom zračenju ili o gama-zračenju, emitovanom u međudelovanju elektrona s atomskim jezgrima u materiji. Za razumevanje i proračun udarnoga preseka zakočnog zračenja potrebno je poznavanje kvantne mehanike. Spektar tog zračenja je kontinuiran, s povećavanjem energije elektrona pomiče se prema višim frekvencijama i jačeg je intenziteta. Takvo se zračenje naziva spontanim, prema analogiji sa spontanom emisijom fotona od strane vezanih elektrona. Indukovano zakočno zračenje emituju slobodni elektroni koji su pritom usporeni, analogno je indukovanoj emisiji fotona vezanih elektrona. Inverzno zakočno zračenje odgovara fotoelektričnom učinku kod kojeg slobodni elektron apsorbuje foton i pritom biva ubrzan. Zakočno zračenje prati i beta-raspade atomskih jezgara i računa se kao korekcija za radijaciju pri beta raspadu (unutrašnje zakočno zračenje). Energija takvoga rendgenskoga zračenja, stvorenog u kulonskom polju jezgra radioaktivnog atoma, ograničena je maksimalnom energijom nuklearnoga prelaza.

Pojava se događa kad jako pozitivno električno polje jezgra deluje na upadni negativni elektron. Tada on skreće s putanje pri čemu mu se kinetička energija smanji. Razlika stanja nivoa kinetičke energije u vremenu, to jest pre i posle skretanja s putanje emituje se kao X-kvant odnosno rentgenski zrak. Blizina jezgra i početna energija elektrona direktno je srazmerna energiji X-fotona. Što je elektron bliže prošao jezgru i što mu je početna energija veća, to je veća i energija X-fotona. Prolaskom kroz anodu upadni elektroni postupno gube energiju. Razlog je prolazak kroz električna polja jezgara na različitim udaljenostima. Svako skretanja rezultira gubitkom dela energije. Zbog tog emitovanog rendgenskog zračenja mogu imati bilo koju energiju do maksimalne energije. Tim putem nastaje kontinuirani spektar X-zračenja. Kočno zračenje (kontinuirani spektar) je jedna od dve komponente spektra rendgenskog zračenja. Druga je karakteristično zračenje (linijski spektar).

Sinkrotronska svetlost

Da bi se proniknulo u tajne subatomske strukture, trebalo je slomiti atome visokoenergetskim česticama u dobro kontrolisanim uslovima. U tu svrhu počeli su se graditi ubrzivači elektrona koji su brzo prerasli u složene naprave koje bi u vakuumu ubrzale elektrone u kružnim putanjama tako da skupe što više energije pre nego što se usmere prema atomu – meti. U posebnim prstenovima, elektroni su ubrzavani sinhroniziranim pogurivanjem mikrotalasima, te su stoga ta postrojenja ubrzo nazvana sinhrotronima. U jednom takvom sinhrotronu 1947. fizičari Dženeral Elektrik kompanije u SAD uočili su neobično zračenje. Ako se želi da se održava nabijenu česticu, poput elektrona, u kružnoj putanji, ona će neizbežno gubiti deo svoje energije (zakočno zračenje) u obliku elektromagnetskog zračenja – svetlosti.

Prvi naraštaj izvora sinhrotronske svetlosti

S druge strane, spomenuti izvor svetlosti pobudio je zanimanje jedne sasvim druge grupe fizičara. Naime, sinhrotronska svetlost koju su emitovali elektroni ubrzani do gotovo brzine svetlosti bila je zaista neobična svetlost, a ne tipično zakočno zračenje. Raspon talasnih dužina bio je impresivan: od infracrvene, preko vidljive svetlosti pa sve do mekih i tvrdih rendgenskih zraka. Jačina zračenja ništa manje impresivno – i milijun puta sjajnije od Sunčeve svetlosti. Fizičari koji su se bavili strukturom materija koristili su se do tada za svoje eksperimente izvorima rendgenskog zračenja koji je bilo i do milijardu puta manje jačine, a gotovo uvek su bili ograničeni samo na određenu talasnu dužinu. Ubrzo su sinhrotroni dobili svoj drugi zadatak – proučavanje strukture materije sinhrotronskom svetlošću. Parazitsko zračenje koje je frustriralo fizičare visokih energija postalo je moćan novi prozor u strukturu materije. Merne stanice koje su iskorištavale sinhrotronsku svetlost postale su redovni dodatak sinhrotronima. Danas se ti sinhrotroni nazivaju prvim naraštajem izvora sinhrotronske svetlosti.

Drugi naraštaj izvora sinhrotronske svetlosti

Uspeh tih mernih istalacija i stalno proširivanje načina na koje se sinhrotronska svetlost upotrebljava dovelo je u 1970-tim godinama prošlog veka do izgradnje prvih postrojenja koja su bila namenjena isključivo za proizvodnju sinhrotronske svetlosti. Taj drugi naraštaj sinhrotrona postao je primenjiv ne samo u fizici, već i u biologiji, medicini i industriji. Na njima se istražuje kristalna i elektronska struktura materijala, grade se mikroskopske naprave, određuje se stuktura belančevina za stvaranje novih lekova, izvodi se medicinska dijagnostika i terapija. Na svetu trenutačno postoji više od 40 sinhrotrona, od LNLS-a u Brazilu, preko mnogobrojnih sinhrotrona u SAĐu, Evropi i Aziji do Australijskog sinhrotrona u Melburnu.

Treći naraštaj izvora sinhrotrone svjetlosti

Današnjica je prekretni period u svetu sinhrotrona. Novi, treći naraštaj sinhrotrona donosi ne samo nekoliko redova veličine sjajniju svetlost, već i neka potpuno nova svojstva koje istraživačima otvaraju nove mogućnosti. Ti sinhrotroni ne održavaju jednostavno samo elektrone u kružnoj putanji, već se dodatno koriste posebnim napravama (eng. insertion devices: umetnute naprave jer se u biti umeću prema potrebi u putanju elektrona) koje teraju elektrone na posebna oscilatorna kretanja i tako sažimaju, odnosno kolimiraju relativno širok snop u vrlo usku kupu zračenja. Taj snop ima mnogo bolja svojstva od prošlih naraštaja, uključujući koherenciju – najuređenije stanje u kojem se svetlost može nalaziti. Svetlost je elektromagnetski talas. Do sada su ti različiti eksperimenti iskorištavali samo amplitudu tog talasa, odnosno jačinu svetlosti. Koherencija sada omogućava da se koristi i faza talasa. Trenutno postoje 4 potpuno operativna sinhrotrona trećeg naraštaja: ESRF (eng. European Synchrotron Research Facility) u Grenoblu (Francuska), tatim APS (eng. Advanced Photon Source) u Argonu (SAD), SPring-8 u Harimi (Japan) i SLS (eng. Swiss Light Source) u švajcarskom Viligenu. U Evropi se grade još dva takva postrojenja: Dijamond u Ujedinjenom Kraljevstvu i SOLEIL u Francuskoj. Nama najbliži sinhrotron nalazi se u blizini Trsta i zove se ELETTRA.

Литература

• Brau, Charles A. Modern Problems in Classical Electrodynamics. Oxford University Press, 2004. ISBN 0-19-514665-4.
• Jackson, John David. Classical Electrodynamics. John Wiley & Sons, 1999. ISBN 0-471-30932-X
• Ishfaq Ahmad, D.Sc. „Measurements of the Relative Oscillator Strengths using the Synchrotron Radiation” (PDF). Proceedings of the National Syposium on Frontier of Physics, National Centre for Theoretical Physics. Pakistan Physical Society. Arhivirano iz originala (PDF) 25. 11. 2021. g. Pristupljeno 16. 1. 2012. CS1 održavanje: Format datuma (veza)
• Nielsen, Jens (2011). Elements of modern X-ray physics. Chichester, West Sussex: John Wiley. ISBN 9781119970156. 
• A. A. Sokolov; I. M. Ternov (1986). C. W. Kilmister, ur. Radiation from Relativistic Electrons. Translation Series. New York: American Institute of Physics. ISBN 978-0-88318-507-0. 
• Nelson, Johanna; Misra, Sumohan; Yang, Yuan; Jackson, Ariel; Liu, Yijin; et al. (2012-03-30). „In Operando X-ray Diffraction and Transmission X-ray Microscopy of Lithium Sulfur Batteries”. Journal of the American Chemical Society. 134 (14): 6337—6343. PMID 22432568. doi:10.1021/ja2121926. 
• Ban, N.; Nissen, P.; Hansen, J.; Moore, P.; Steitz, T. (2000-08-11). „The Complete Atomic Structure of the Large Ribosomal Subunit at 2.4 Å Resolution”. Science. 289 (5481): 905—920. Bibcode:2000Sci...289..905B. PMID 10937989. doi:10.1126/science.289.5481.905. 

Spoljašnje veze

• Cosmic Magnetobremsstrahlung (synchrotron Radiation), by Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1965
• Developments in the Theory of Synchrotron Radiation and its Reabsorption, by Ginzburg, V. L., Syrovatskii, S. I., ARAA, 1969
• Lightsources.org
• BioSync – a structural biologist's resource for high energy data collection facilities
• X-Ray Data Booklet