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Elettrodinamica classica/Distribuzione angolare

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Indice del libro

Studiamo ora la distribuzione angolare della radiazione emessa nel caso ultrarelativistico. Come abbiamo visto, nel caso non relativistico la potenza emessa dipendeva dalla direzione relativa all'accelerazione della particella, e dipendeva in particolare dal quadrato del seno dell'angolo fra la direzione di osservazione e quella dell'accelerazione. In particolare, dunque, la potenza emessa era massima in direzione perpendicolare all'accelerazione della particella. Vedremo ora che nel caso ultrarelativistico la situazione è completamente diversa. La formula esatta per la potenza totale emessa per unità di angolo solido è (sfruttando l'espressione di E data dai campi di Lienard-Wiechert):

dWdΩ=r2|E|2=e216π2|n×[(nv)×a]|2(1vn)6

Nel caso non relativistico avevamo 1vn1; nel caso ultrarelativistico è invece proprio questo termine che ci consente di capire la distribuzione angolare della radiazione. Se infatti si ha nv/v, allora 1vn1vv10; dunque, la potenza emessa tende a divergere se n è circa collineare alla velocità della particella. La direzione "di riferimento" in questo caso, dunque, è quella di v. A numeratore, poi, c'è un termine nv, che per nv/v tende a zero, compensando la divergenza del denominatore. Per comprendere meglio la situazione, riscriviamo la formula come:

dWdΩ=e216π2|n×[(nv)×a]|2(1nv)21(1nv)4

Se dunque nv/v, si avrà:

nv1nvnv/vnvn1v=n

Pertanto, il termine centrale nell'espressione di dW/dΩ è costante, e quindi:

dWdΩnv/ve216π2|n×(n×a)|21(1vn)4

e poiché |n×(n×a)|=|n×a|:

dWdΩnv/ve216π2|n×a|21(1vn)4

Dobbiamo dunque distinguere due casi:

av0 (ossia a non è parallelo a v) se nv/v, allora |n×a|0:

dWdΩ=e216π2|n×a|21(1vcosα)4

Pertanto, per v1 il termine più rilevante nell'espressione della potenza emessa per irraggiamento è 1/(1vcosα)4. Espandendo per piccoli valori di α:

f(α):=1(1vcosα)4=1(1v(1α22))4=1(1v+vα22)4v11(1v+α22)4

Dunque, f(α) è una funzione piccata attorno ad α=0, e il picco è sempre più marcato più il valore di v si avvicina ad 1.

La larghezza a metà altezza della campana, poi, è dell'ordine di 1v21v. Concludiamo dunque che se v1, la maggior parte della radiazione emessa è tutta concentrata in un cono di angolo solido centrato sulla direzione di v:

av

Dunque:

dWdΩ=e216π2a2sin2α(1vcosα)6

È una situazione leggermente diversa dalla precedente: se α=0, infatti, la potenza emessa è nulla. Detta:

f(α)=sin2α(1vcosα)6

In questo caso, dunque, nella direzione esatta della velocità non viene emessa energia, ma comunque la quasi totalità della radiazione è contenuta in un cono di angolo solido α1v centrato nella direzione della velocità (che in questo caso coincide con quella dell'accelerazione).

I due casi, dunque, anche se a priori diversi sono sostanzialmente equivalenti.