電磁輻射與協變電動力學
多極輻射(multipole radiation)
沒有一個真實的天線或原子是完美的點偶極子。多極輻射是把任何源的輻射系統化整理的方法:把它展開成一個層級——電偶極、磁偶極、電四極,一路往上——每一項都比前一項小,於是你只需保留所需的那幾項。
展開參數是源的大小除以波長,即 d/lambda(對內部運動的電荷而言,等價於 v/c)。電偶極(E1)項只要不為零就主導;下一階同時包含磁偶極(M1)與電四極(E2)兩項,各被壓低約 d/lambda;再下一階給出磁四極與電八極,依此類推。數學上,場以向量球諧函數展開,並以一個類似角動量的整數 l 與一個宇稱來標記;每一個多極輻射出特有的角分布圖案,並帶走確定的角動量。
多極語言在原子、原子核與重力物理中不可或缺。原子的選擇律正是在陳述哪一個多極被允許:「電偶極允許」的躍遷明亮而快速,「禁戒」譜線則走 M1 或 E2,暗弱而緩慢。把同一套方案從電荷換成質量,就能解釋為什麼重力輻射要到四極(E2)階才開始——沒有單極或偶極的重力輻射。
當某個躍遷的電偶極矩因對稱性而為零時,其 E1 輻射消失,原子只好經由下一個多極 M1 或 E2 衰變,功率上小約 (d/lambda)^2——於是激發態可以活上千倍長的時間,產生一條「禁戒」譜線。
每高一階的多極就弱約 (d/lambda);當某一階被禁戒時,下一階便接手。
多極階次是以「源大小除以波長」作展開,只有在該比值很小時才有用。「禁戒」並不代表不可能——它只表示領頭的多極為零,改由更高、更弱的一階撐起這個躍遷。
又称
另见