Введение. 
Квантовая теория синхротронного излучения заряженных частиц

Синхротронное излучение (СИ) — одно из замечательных явлений современной физики — впервые наблюдалось 60 лет назад при движении электронов в циклическом ускорителе — синхротроне.

Природа СИ связана с испусканием электромагнитных волн ускоренно движущимся зарядом. Как известно, в циклическом электронном ускорителе заряд движется по окружности в магнитном поле, практически однородном вдоль траектории частицы. В этих условиях релятивистский электрон, обладая большим центростремительным ускорением, становится источником мощного электромагнитного излучения.

Нужно заметить, что в литературе можно также встретить название «магнитотромозное» излучение. Этот термин, однако, чаще применяется при рассмотрении астрофизических задач.

Проблема излучения релятивистского заряда, движущегося по окружности, рассматривалась методами классической электродинамики Максвелла-Лоренца еще в конце XIX в. Задача об излучении ускоренно движущегося заряда вновь привлекла к себе внимание исследователей в связи с развитием физики космических лучей. Также интерес к задаче об излучении электронов в магнитном поле был связан с весьма бурным развитием техники циклических ускорителей.

Вначале СИ рассматривалась как отрицательное явление, мешающее нормальной работе циклического ускорителя. Однако установление радиационного предела работы бетатрона стимулировало не только переход к новым, более современным методам ускорения электронов, но и инициировало появление большого числа работ, посвященных синхротронному излучению как новому физическому явлению.

Так начался второй этап исследований, связанных с изучением физических свойств самого СИ методами классической и квантовой теории, а также с экспериментальной проверки этих свойств, часто неожиданных и удивительных.

Были открыты важные закономерности, свойственные излучению ультрарелятивистского электрона. Было установлено, что излучение, испускаемое электроном, сосредоточено в узком конусе вокруг мгновенного направления скорости частицы и направлено вперед по её движению. Необычным оказался и спектральный состав излучения. Спектральная кривая СИ напоминает спектр энергии излучения абсолютно черного тела. Излучение электронов с энергией 1 ГэВ эквивалентно в этом случае излучению абсолютно черного тела при эффективной температуре К.

При определенных значениях энергии максимум мощности излучения может попасть в область видимого света. Электрон в этом случае становится светящимся в буквальном смысле этого слова.

Близко к синхротронному излучению примыкает так называемое ондуляторное излучение (ОИ) — спонтанное излучение электронов при их движении в периодическом внешнем поле, вызывающем отклонение частиц на малые углы. На это излучение впервые обратил внимание В. Л. Гинзбург в связи с поисками источников излучения в микроволновом диапазоне.

В отличие от СИ ондуляторное излучение характерно формированием на всей территории движения частицы, и в силу этого оно обладает рядом особенностей.

Интересным оказался вопрос о возможности проявления квантовых эффектов в СИ, которое с момента его открытия считалось сугубо классическим явлением. Развитие квантовой теории СИ на основе применения точных решений уравнения Дирака для электрона в магнитном поле и методов квантовой электродинамики позволило в 1952 г. впервые получить точное выражение для мощности излучения в квантовой теории.

Дальнейшие исследования по квантовой теории СИ касались вопросов влияния дискретного характера испускания фотонов на траекторию движения электрона в магнитном поле.

Таким образом, исследованное вначале как «помеха» в работе циклического ускорителя — бетатрона синхротронное излучение сказалось весьма интересным с точки зрения не только специфических свойств, но также и реализации этих свойств в практическом приложении.

СИ оказывается осень удобным для применения в рентгеновской литографии. Успешное развитие этого направления в технике оказывает непосредственное влияние на разработку и производство приборов микроэлектроники — технологии будущего.

Таким образом физика синхротронного излучения стала в наши дни новым самостоятельным и очень перспективным научным направлением.