komentarz

dr Tomasz Michniowski, I LO Lublin
Komentarze do prezentacji "Łatwo o rzeczach trudnych – promieniowanie
hamowania"
A. Zjawisko promieniowania hamowania
Zmiana pędu poruszającej się cząstki jest równoważna zmianie jej energii (zarówno gdy cząstka
zmienia wartość swej prędkości, jak i gdy zmienia kierunek ruchu). Zasada zachowania energii
wymusza zbilansowanie tej zmiany przez adekwatne zjawisko. W związku z tym, cząstki o
niezerowych liczbach kwantowych, podlegając przyspieszeniom, stają się źródłem emisji energii pod
różnymi postaciami. Odpowiednio, cząstki o niezerowym ładunku elektrycznym, promieniują w
paśmie elektromagnetycznym (stają się źródłem fotonów o określonej energii). Efekt ten znany jest
jako promieniowanie hamowania (z niem.: Bremsstrahlung).
Gdy cząstka emitująca promieniowanie hamowania porusza się w danym ośrodku z prędkością
większą od określonej w nim prędkości światła (wyznaczanej zależnością c = [em]-1/2 ), wówczas ciąg
impulsów elektromagnetycznych wywołanych trwającą w czasie zmianą pędu cząstki, podlega
interferencji ze sobą samym, w sposób analogiczny do tego, który ma miejsce podczas emisji fal
dźwiękowych przez obiekt poruszający się w danym ośrodku z prędkością większą od prędkości
rozchodzenia się dźwięku w nim. Optycznym odpowiednikiem sonicznego zjawiska "bariery
dźwięku", jest wówczas tzw. promieniowanie Czerenkowa. Jest ono, oczywiście, jednym z
możliwych efektów towarzyszących powstawaniu promieniowania hamowania.
B. Komentarze i wyjaśnienia do prezentacji
nr slide'u
komentarz
3
przedstawione formuły matematyczne zostały pobrane (w sposób losowy, bez kontekstu) z
wykładu nt. zjawiska promieniowania hamowania
4
"podręcznikowy" rysunek przedstawia przejście elektronu w pobliżu protonu. W wyniku
oddziaływania między cząstkami, elektron zmienia kierunek ruchu (co symbolizują niebieskie
strzałki), czemu towarzyszy emisja fotonu pod postacią kwantu promieniowania gamma
(zielona fala). Nie wyjaśnia to mechanizmu zjawiska, lecz jedynie paralelnie – w stosunku do
werbalnego i formalnego – określa jego przebieg
n/d
wydaje się, że wyjaśnienie mechanizmu zjawiska wykracza poza możliwości dydaktyki szkolnej
5
widoczna na fotografii błękitna smuga powstaje w wyniku hamowania w powietrzu cząstek
wybiegających z urządzenia pomiarowego na zewnątrz
6
widoczny jest efekt hamowania wiatru słonecznego w polu magnetycznym Ziemi w obszarze
ponadbiegunowym
7
widoczne jest, że przebieg strumienia cząstek w synchrotronie jest prostoliniowy, z wyjątkiem
(czerwone bloki) wydzielonych obszarów, w których pole magnetyczne zmusza cząstkę do
zmiany kierunku. Korekcji kierunku wiązki nie prowadzi się na całym obwodzie akceleratora
m.in. w celu uniknięcia poważnych strat energetycznych, które wówczas następowałyby w
każdym miejscu wiązki. Powodem tych strat jest oczywiście promieniowanie hamowania
8
widoczne są świetliste okręgi wokół biegunów Jowisza – odpowiednik ziemskiej zorzy polarnej
– za pojawianie się których odpowiada promieniowanie hamowania cząstek
9
wymienione są niektóre z metod badawczych i efektów wykorzystywanych praktycznie,
związanych z generowaniem promieniowania hamowania
11a
"znaczna odległość", dla ustalenia uwagi i wygodnej analizy efektu powinna w naszym
eksperymencie myślowym być niemniejsza niż rzędu jednostki astronomicznej (minuty
świetlne)
11b
nadawanie (np. kodem Morse'a) za pomocą sztywnego pręta ("patyka") wydaje się skutecznie
omijać zakaz rozchodzenia się sygnałów z prędkością niewiększą od prędkości światła – jak się
wydaje, "patykiem" można bowiem machać, zmieniając jego położenie "natychmiast" na całej
jego długości ("patyk" ma być bowiem sztywny)
12
niestety nie; sztywność "patyka" pochodzi bowiem od oddziaływań pomiędzy atomami jego
struktury krystalicznej, a te rozchodzą się z prędkością światła (c); reakcja na ruch jednego
końca "patyka" nie jest zatem natychmiastowa na drugim jego końcu; tylko dla "patyków"
relatywnie krótkich (w stosunku do c), sztywność ich wydaje się zachowana (opóźnienie zmiany
położenia końca patyka jest na niewielkich odległościach bardzo małe i może pozostać
niedostrzeżone)
16
wycinki powierzchni kulistych nałożone na rysunek, są chwilowymi (t1, t2, …) czołami fal
elektromagnetycznych, za pomocą których porozumiewają się obserwatorzy; dotychczasowy
"patyk" symbolizuje kierunek rozchodzenia się impulsów komunikacji pomiędzy
obserwatorami, zaś czerwony uskok symbolizuje energię fali, uzyskaną w wyniku
przemieszczenia ładunku elektrycznego przez obserwatora fioletowego w momencie
rozpoczęcia nadawania wiadomości; uchwyt "patyka" w dłoni obserwatora fioletowego jest w
tej sytuacji elementem anteny nadawczej, zaś uchwyt w dłoni obserwatora zielonego – jest
układem odbiorczym fali elektromagnetycznej
17
schemat ilustruje hamowanie cząstek wiatru słonecznego w polu magnetycznym ziemi – tracą
one inercjalność i stają się źródłem promieniowania hamowania widocznego jako zorza polarna
18
energetyczne cząstki wychodzące z rdzenia reaktora atomowego hamują w ośrodku (woda), w
związku z tym, jako nieinercjalne – stają się "producentami" promieniowania hamowania
19
przedstawienie promieniowania hamowania jako energii lokalnego ugięcia linii sił pola
elektrycznego, spowodowanej utratą inercjalności przez cząstkę z niezerowym ładunkiem
elektrycznym, rozchodzącej się z prędkością światła jest:
- nietrywialnie (uzgadnialność z prawami Maxwella, zasadą zachowania energii, prawami
Newtona, związkami relatywistycznymi),
- adekwatne (określa istotę zjawiska),
- zgodne merytorycznie (wyjaśnienie nie wymaga "naginania" jakichkolwiek treści
podstawowych),
- zgodne dydaktycznie (wprowadzenie mechanizmu nie koliduje z treścią postulatów
dydaktycznych),
- zgodne formalnie (działanie nie jest źródłem skojarzeń niezgodnych z obrazem formalnym lub
utrudniających percepcje formalną zjawiska na późniejszych etapach kształcenia)