什么是“偶极辐射”和“四极辐射”

文摘   2024-06-24 17:13   北京  

我们知道,带电物体做加速运动会辐射电磁波。最简单的情况当然是做直线加速运动(考虑非相对论的情况,即速度<<光速)的点粒子,假设该粒子的加速度为a,电荷量为q,选择加速度的方向作为z轴正向,那么该粒子在单位立体角内辐射的功率(高斯制)为

更多的时候,我们需要考虑一个非常复杂的辐射源,其中有大量做复杂运动的带电粒子,这就很难写出辐射功率的表达式了。

但如果我们只考虑距离辐射源非常远的一个地方的辐射场分布,那就可以进行所谓的“远场近似”,用泰勒级数展开,将辐射场的能流密度写成许多加和项(越前面的对辐射场贡献越大),并且大部分时候只取表达时的前几项就能达到一个不错的近似精度。

很多时候,其实只需要前三项,他们分别对应“电偶极矩p”、“磁偶极矩m”、“电四极矩D”这三个量对辐射的贡献,它们对应的辐射就称为“电偶极辐射”、“磁偶极辐射”和“电四极辐射”,三者的能流密度表达式(国际制)如下

在测量脉冲星的磁场强度时,就是假设脉冲星是磁偶极辐射,然后测量磁偶极辐射导致的自转减慢,这样就将物理量“磁感应强度B”与脉冲星的脉冲周期P以及周期变化率dP/dt联系了起来,通过脉冲星计时方法得到准确的P以及dP/dt,进而就能得知脉冲星的磁场B。

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如果将爱因斯坦场方程做“弱场近似”,会发现其数学形式与麦克斯韦方程相同,这就意味着引力辐射与电磁辐射在很多方面是相似的。有质量的物体做加速运动会辐射引力波,引力辐射也可分为电偶极、磁偶极以及电四极辐射,但由于系统的动量守恒以及角动量守恒,引力辐射的电偶极项与磁偶极项都为0,对于引力波,最重要的是四极辐射,设二阶张量D为质量四极矩,则引力辐射功率为

其中<...>代表对时间求平均值。根据上式,很容易就能得到以圆轨道相互环绕的双星辐射引力波功率

其中a为双星之间的距离。

本文完。

地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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