أشعة انكباح

الجسيمات في الفراغ

وفي السياق ذاته، يشعّ الجسيم المشحون المتسارع في الفراغ طاقةً، تبعاً لمعادلة لارمور وتعميماتها النسبوية، وعلى الرغم من تخصيص مصطلح (الأشعة الانكباحية) للجسيمات المشحونة المتسارعة ضمن المادة، وليس الفراغ، فإن المعادلات تكون متشابهة،(المصدر مطلوب) وفي هذا الصدد تختلف الأشعة المذكورة عن إشعاع شيرينكوف، وهو نوع آخر من أشعة الانكباح يطرأ ضمن المادة فقط، دوناً عن الفراغ.

حيث h : ثابت بلانك

كذلك، تنشأ الأشعة الانكباحية الكهرومغناطيسية من تباطؤ جسيم مشحون عندما يحرفه جسيم مشحون آخر، وعادةً ما يكون الأول إلكتروناً والثاني نواةً ذرية، إذ يفقد الجسيم المتحرك طاقة حركية تتحول لإشعاع (أي فوتون)، محققةً بذلك قانون حفظ الطاقة، كما يُستعمل هذا المصطلح للإشارة إلى العملية التي ينتج فيها الإشعاع، وتمتلك الأشعة الانكباحية طيفاً متواصلاً تزداد شدته وتنتقل ذروتها باتجاه الترددات الأعلى بتزايد التغير في طاقة الجسيمات المُبطّأة.

كذلك، ويُشار للأشعة الانكباحية المنبعثة من البلازما أحياناً بالأشعة الحرّة، دلالةً إلى أنها تنتج في هذه الحالة عن جسيمات مشحونة تكون حرة؛ أي ليست جزءاً من شاردة، أو ذرة أو جزيء ما، قبل الانحراف (التسارع) الذي سبب هذا الإصدار وبعده.

كذلك، وتشمل هذه الأشعة بالمعنى الواسع كلاً من الإشعاع السينكروتروني (أي الانبعاث الفوتوني لجسيم نسبوي)، والسيكلوتروني (أي الانبعاث الفوتوني لجسيم غير نسبوي)، وانبعاث الإلكترونات والبوسيترونات أثناء الاضمحلال بيتا، ولكنها توُظّف عادة للدلالة على الأشعة المنبعثة من الإلكترونات (من أي مصدر كانت) المتباطئة ضمن المادة فقط.

السلامة الإشعاعية

كذلك، قد تكون الأشعة الانكباحية الناشئة بتدريع الإشعاع بيتا بمواد كثيفة شائعة الاستخدام (مثل الرصاص) خطرة بذاتها في بعض الحالات، كما في النظير-32 للفوسفور (32P)، وبالتالي يجب استخدام مواد منخفضة الكثافة (مثل البولي ميثيل ميتاكريلات، أو البلاستيك، أو الخشب أو الماء)؛ لأن عددها الذري يكون أقل، وبالتالي تنخفض شدة الأشعة الانكباحية بدرجة كبيرة، لكن من الضروري استعمال تدريع أكثر سماكة لإيقاف الإلكترونات (أشعة بيتا).

الأشعة الانكباحية الداخلية والخارجية

في هذا الإطار، وتجدر الملاحظة بأن الأشعة الانكباحية تنبعث في حالة التقاط الإلكترون حتى إن لم ينبعث أي جسيم مشحون، بل يمكن الاعتقاد بنشأة هذه الأشعة أثناء تسريع الإلكترون المُلتَقَط نحو امتصاصه، وقد تتواجد هكذا إشعاعات عند تواترات تماثل أشعة جاما الخفيفة، لكنها لا تُظهر أياً من الخطوط الطيفية الحادة الناتجة عن الاضمحلال جاما، وبالتالي لا تُعتبر عملياً أشعة جاما.

من جهة ثانية، وتنشأ طاقة الفوتون في انبعاثات الإلكترون والبوسيترون بالاضمحلال بيتا من الزوج إلكترون-نويّة، مع تناقص طيف الأشعة الانكباحية باستمرار بتزايد طاقة جسيم بيتا، وفي الالتقاط الإلكتروني، تأتي الطاقة على حساب النوترينو، ويبلغ الطيف أوجه عند نحو ثلث الطاقة الاعتيادية للنوترينو، بينما تتناهى الطاقة الكهرومغناطيسية للصفر عند طاقته الاعتيادية.

في هذا الإطار، ويقابل العملية الداخلية المذكورة الأشعة الانكباحية الخارجية، التي تنتج عن صدم النواة بالإلكترونات القادمة من الخارج (أي المنبعثة من نواة أخرى).

وفي السياق ذاته، تنشأ الأشعة الانكباحية الداخلية من إحداث الإلكترون وفقدانه لطاقته (نتيجةً للحقل الكهربائي القوي في المنطقة النووية الخاضعة للاضمحلال أو التفكك) عند مغادرته النواة، فُتعد هذه الأشعة سمة الاضمحلال بيتا في النوى، ولكنها تُشاهد أحياناً كذلك في هذا الاضمحلال لدى النيترونات والبروتونات الحرة، حيث تتشكل بينما يغادر إلكترون بيتا البروتون.

التوزع الزاوي

وعلى صعيد آخر، في حالة توازي السرعة مع التسارع (كما في الحركة الخطية مثلًا)، تتبسّط المعادلة للشكل:

مصادر الأشعة الانكباحية

وفي هذا السياق، تتمثل المعادلة الأكثر عموماً للطاقة المشعّة كدالّة زاويّة على الشكل التالي:

حيث هي الزاوية بين واتجاه الراصد.

في هذا الإطار، حيث متّجه وحدة يشير إلى المُراقب انطلاقاً من الجسيم، و هي جزء متناهي الصغر من الزاوية الصلبة.

أنبوب الأشعة السينية

علاوةً على ذلك، حيث: h هو ثابت بلانك، وc سرعة الضوء، وV الجهد الكهربائي الذي تم تسريع الإلكترونات عبره، وe هي الشحنة الأولية، وpm تعني بيكومتر.

إضافةً إلى ذلك، (ويتوافق الحد الأعلى السابق مع إلكترون يكتفي ببعث فوتون واحد فقط من الأشعة السينية، إذ عادةً يبعث الإلكترون الواحد الكثير من الفوتونات، ويمتلك كل منها طاقة أقل من 60 كيلو إلكترون فولط)، ويمتلك الفوتون الذي تبلغ طاقته القصوى 60 كيلو إلكترون فولط طولاً موجياً مقداره على الأقل 21 بيكومتر، وبالتالي يمتلك طيف الأشعة السينية المتواصل نفس الانقطاع المُشاهد في المخطط، وعلى نحو أعم تتمثل معادلة الانقطاع عند طول الموجة المنخفض حسب قانون دوين-هانت كما يلي:

من جانب آخر، ويبدي الطيف انقطاعاً حادّاً عند طول الموجة الأصغري، والذي يعود للطاقة المحدودة للإلكترونات الواردة، مثلًا، إذا تم تسريع إلكترون ما ضمن الأنبوب عند جهد كهربائي قدره 60 كيلو فولط، فإنه سيكتسب طاقة حركية تعادل 60 كيلو إلكترون فولط، وسيتمكن عند اصطدامه بالهدف من توليد أشعة سينية بطاقة أقصاها 60 كيلو إلكترون فولط، من خلال حفظ الطاقة.

وعلى صعيد آخر، حيث الثابت K نسبي للعدد الذري لعنصر الهدف، و هو طول الموجة الأصغري المُعطى في قانون دوين-هانت.

إضافةً إلى ذلك، ويصف قانون كراميرز شكل الطيف المتواصل على وجه التقريب، إذ تُعطى معادلة هذا القانون عادة بتوزع الشدة (عدد الفوتونات) I مقابل طول الموجة λ للإشعاع المنبعث:

علاوةً على ذلك، تخضع الإلكترونات لتسارع ضمن الفراغ داخل أنبوب أشعة سينية بتطبيق حقل كهربائي على قطعة معدنية تدعى (الهدف)، ومن ثم تنبعث أشعة سينية بينما تتباطأ الإلكترونات داخل المعدن، وبالمحصلة ينتج طيف متواصل من الأشعة السينية، تتخلله قمم حادة عند طاقات معينة، ويُعزى ذاك الطيف المتواصل للأشعة الانكباحية، بينما تُعد القمم الحادة أشعة سينية مميزة تترافق مع الذرات ضمن الهدف، ولهذا السبب تُدعى الأشعة الانكباحية في هذا السياق كذلك بالأشعة السينية المتواصلة.

في التفريغات الكهربائية

كذلك، تُنتج الإلكترونات فوتونات الأشعة الانكباحية عند بعثرة جزيئات الهواء في التفريغات الكهربائية، كالتفريغ على مستوى مخبري بين قطبين كهربائيين، أو التفريغ بين الغيوم أو بينها والأرض على هيئة البرق، وقد أصبحت هذه الفوتونات تتظاهر في ومضات أشعة جاما الأرضية، وتُعد مصدر حزم الإلكترونات، والبوزيترونات، والنيترونات والبروتونات، كما يؤثر ظهور فوتونات الأشعة الانكباحية في نشر التفريغات في مزائج النتروجين مع الأكسجين الحاوية على نسب منخفضة من الأكسجين وشكليتها.

حيث هو التسارع

إضافةً إلى ذلك، وفي حالة توازي السرعة مع التسارع (كما في الحركة الخطية مثلًا)، تتبسّط المعادلة للشكل:

من جانب آخر، وحسب المعادلة ، يعبّر إجمالي الطاقة المشعّة عن الكتلة إما على الشكل m-4 أو m-6، ولذلك تفقد الإلكترونات طاقتها للأشعة الانكباحية بسرعة أكبر من الجسيمات المشحونة الأثقل (مثل الميونات، والبروتونات وجسيمات ألفا)، ولا يمكن لمصادم إلكترون-بوسيترون بطاقة من رتبة تيرا إلكترون فولط (مثل المُصادم الخطي الدولي المُقترح) أن يستعمل نفقاً دائرياً (يتطلب تسارعاً ثابتاً)، على عكس مصادمات بروتون-بروتون (مثل مصادم الهدرونات الكبير)، وتخسر الإلكترونات طاقتها للأشعة الانكباحية بمعدل أعلى على وجه التقريب بـ1013 مرةٍ من البروتونات.

في هذا الإطار، ويكون الإشعاع في كلتا الحالتين المحدِّدتين نسبياً لـ 4γ أو 6γ .

الأشعة الانكباحية من النوع إلكترون-إلكترون

من جهة ثانية، تتمثل إحدى الآليات، والتي تعد مهمة للأعداد الذرية Z المنخفضة، في تبعثر إلكترون حر على إلكترونات المدار الخارجي للذرة أو الجزيء، وبما أن الأشعة الانكباحية من النمط إلكترون-إلكترون تتمثل بتابع من المرتبة Z، في الوقت الذي يتم فيه التعبير عن الأشعة الانكباحية المعتادة من النمط إلكترون-نواة بالتابع Z2، يتم إهمال الأشعة من النوع الأول بالنسبة للمعادن، ولكنها تلعب دوراً مهماً فيما يتعلق بالهواء، مثلًا، في إنتاج ومضات أشعة جاما الأرضية.

• انظر كذلك
• أشعة غاما
• أشعة سينية
• إشعاع سيكلوتروني
• الكورونا

في الفيزياء الفلكية

وفي هذا الصدد، يبرز الوسط المجرّي بدرجة حرارة 107 إلى 108 كلفن كالمكوّن المضيء المهيمن في مجموعة من المجرّات، وتميّز الأشعة الانكباحية الحرارية الانبعاثات الصادرة عن هذا الوسط، وتقع هذه الأشعة ضمن المجال الطاقي للأشعة السينية، ويمكن مشاهدتها بسهولة بتلسكوبات فضائية، مثل مرصد تشاندرا الفضائي للأشعة السينية، ونيوتن-XMM، وروسات، والقمر الصناعي المتطور لعلم الكون والفيزياء الفلكية (ASCA)، وإكزوسات، وسوزاكو، ومهمّات مستقبلية مثل المرصد الدولي للأشعة السينية وأسترو-H، كما تُعد الأشعة الانكباحية آلية الانبعاث السائدة لمناطق الهيدروجين الثنائي عند أطوال أمواج الراديو.

الاضمحلال بيتا

ومن جهة أخرى، تُطلق المواد الباعثة لجسيمات بيتا إشعاعاً ضعيفاً أحياناً بطيف مستمر يعود للأشعة الانكباحية (اقراً الأشعة الانكباحية الخارجية في الأسفل)، وفي هذا السياق، تُعتبر هذه الأشعة ثانوية، بمعنى أنها تصدر كنتيجة لإيقاف (أو إبطاء) الإشعاع الأولي (جسيمات بيتا)، وتتشابه هذه الطريقة كثيراً مع الأشعة السينية الناتجة عن صدم أهداف معدنية بإلكترونات ضمن مولدات لهذه الأشعة، إلّا أن الأولى تنتج عن إشعاع بيتا بواسطة إلكترونات عالية السرعة.

إجمالي الطاقة المشعّة

وفي السياق ذاته، تُعطى المعادلة النسبوية الأكثر ثباتاً لإجمالي الطاقة المشعة كما يلي:

من جهة ثانية، حيث سرعة الجسيم مقسّمة على سرعة الضوء، هو معامل لورنتز، وتمثل مشتقاً زمنياً لـ وتعبّر q عن شحنة الجسيم، وتُكتب المعادلة السابقة عادةً على هيئة رياضية مكافئة باستخدام: