制動輻射

制動輻射 (Braking radiation)
國立臺灣大學物理學系 鍾豪

制動輻射 (bremsstrahlung)，又稱剎車輻射，是從德文 “bremsem（剎車）” 和 “strahlung（輻射）” 兩個字組成。根據電動力學，當帶電粒子的速度改變時，就會輻射電磁波。狹義而言，制動輻射專指當高速電子因為受物質內原子核吸引而偏折、減速，所釋放的輻射；廣義而言，泛指所有帶電粒子因速度改變而發出的輻射。例如同步輻射 (synchrotron radiation)、迴旋輻射 (cyclotron radiation) 都屬於廣義的制動輻射。

如圖一，帶負電的電子受帶正電的原子核吸引，電子速度變慢，向外輻射電磁波。電子在兩位置的動能差，即為制動輻射的能量。因為電子的速度是連續變化的，所以制動輻射的頻譜通常也是連續的。

圖一、制動輻射。（本文作者鍾豪繪）

制動輻射常見於 β 衰變和 X 光射線管。β 衰變是放射性原子核向外射出電子束，但同時電子束也被原本的原子核吸引，使得速度略為下降，並放出制動輻射。

X 光射線管的原理是將高能電子射向金屬靶，因為碰撞，可將金屬內的電子打至不同的激發態。不同激發態的電子再降回基態時，便會發出不同的 X 光。由於激發態和基態的能量差是固定的，所以這個機制所形成的光譜是不連續的，也就是僅有特定幾個頻率（稱為「特徵頻率」，如圖二所示為兩個不同激發態所造成的譜線）。但原本的高能電子撞擊金屬靶時，因突然減速，所以也會同時發出制動輻射。所以 X 光射線管的光譜具有連續及不連續兩個部份（如圖二）。

圖二、X 光射線管光譜。（本文作者鍾豪繪）

制動輻射對於天文觀測也有重要的價值。某些星系團的中心存在高溫的星際物質（主要為氫和氦），其溫度大約為一千億 K。因為溫度極高，氫和氦被離子化，大量的自由電子在氫核和氦核間移動。當自由電子受原子核吸引而減速時，就會發出制動輻射。該溫度下氫和氦所發出的輻射約在 X 光波段，可被地球上的望遠鏡所觀察到。

參考文獻

1. 制動輻射｜維基百科。http://en.wikipedia.org/wiki/Bremsstrahlung
2. Bremsstrahlung X-Rays — Hyperphysics. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/quantum/xrayc.html