拉莫公式(Larmor formula)
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加速中的電荷為什麼會發光?拉莫公式給出結論:任何加速的電荷都會輻射電磁能量,而且它精確告訴你輻射多少。這是古典輻射理論中最重要的一個式子。
對一個非相對論性點電荷 q,加速度為 a,向各方向輻射的總功率為 P = mu_0 q^2 a^2 / (6 pi c),也就是 P = q^2 a^2 / (6 pi epsilon_0 c^3)。有兩點很關鍵:功率正比於加速度的「平方」(加速度加倍,輻射功率變四倍);而且在這個極限下,它完全與速度無關。輻射並非均勻地射出——其角分布為 dP/dOmega = (mu_0 q^2 a^2 / 16 pi^2 c) sin^2(theta),theta 由加速度向量量起,是一個甜甜圈形的圖案,因此沿著 a 方向正前方完全沒有輻射。
拉莫公式悄悄宣判了古典原子的死刑:繞行的電子在加速,因此它應該在約 10^-11 秒內螺旋墜入原子核——這正是逼出量子力學的危機之一。上面寫的公式假設 v << c;精確的相對論版本是李納結果 P = (mu_0 q^2 gamma^6 / 6 pi c)(a^2 - |beta x a|^2),當 gamma 趨近 1 時就退回拉莫公式。
磁場中的電子被甩成一個小圓周,承受巨大的向心加速度;把 q 與 a 代進 P = q^2 a^2/(6 pi epsilon_0 c^3),就得到它以光的形式流失掉的功率——這正是電子儲存環必須不斷把能量灌回去的原因。
輻射功率正比於加速度的平方;圖案是繞著加速度方向的 sin^2(theta) 甜甜圈。
拉莫公式是低速(v << c)極限;對相對論性電荷要用李納推廣式,其中的 gamma^6 因子讓能量損失爆炸性增長。它也假設是真正的點電荷——對於有大小的源,要改用多極展開。