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1、第十一章 电磁场与电磁波1本讲稿第一页，共五十四页11-1 11-1 位移电流位移电流 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组2本讲稿第二页，共五十四页11.1.1 11.1.1 位移电流位移电流1 1、电磁场的基本规律、电磁场的基本规律对于静电场，由库仑定律和场强叠加原理，可以导出描述对于静电场，由库仑定律和场强叠加原理，可以导出描述电场性质的高斯定理和静电场环流定理电场性质的高斯定理和静电场环流定理.3本讲稿第三页，共五十四页对对于于稳稳恒磁恒磁场场，由，由毕毕奥奥萨萨伐伐尔尔定律和定律和场场强强叠加原理，可叠加原理，可以以导导出描述出描述稳稳恒磁恒磁场场性性质质的的“高斯定理高斯定理”和安培和安培
2、环环路定理路定理4本讲稿第四页，共五十四页对于非静电场和非稳恒磁场，情况又如何？先考察第一个方程电荷q0产生电场，导致介质极化，从而形成D，在q0与按方程对应的D之间可能有所时间差，但此时间差极小，而方程的积分并非关于时间。所以在不计此可能的时间差时，方程应该还是可用的。再看第二个方程在非稳恒场下，E既包含电荷产生的“静电场”，也包含变化磁场产生的涡旋场。前一项按方程11.2积分为零，后一项 按法拉第电磁感应定律为 所以非稳恒场下，应为5本讲稿第五页，共五十四页再看第三个方程它反映的是磁力线为闭合曲线的性质，这点不会因磁场非稳恒改变，此方程在非稳恒时应该是可用的。最后一个方程稳恒情况下，I必然
3、是真实的回路连续电流。但在非稳恒时，电流未必具有连续性，如交流电流可以通过电容器。安培环路定理需要修改。图图11.16本讲稿第六页，共五十四页从S1面看，有而这里的ds方向指向右侧。如果对封闭曲面S=S1+S2并采用电流的连续性方程-流入的电流计为负值，这就只需要将ds的方向理解为指向左方即遵从闭合曲面法向的选取规则就可以。由电流连续性方程 图图11.17本讲稿第七页，共五十四页S2面上无电流流出，实际就反映在电荷q0的的积累变化上。另一方面由可得 代入前式就得8本讲稿第八页，共五十四页可将上式改写可将上式改写为为或或由此可由此可见见，在非，在非稳稳恒条件下，尽管恒条件下，尽管传导电传导电流密
4、度流密度j0不不一定一定连续连续，但，但这这个量永个量永远远是是连续连续的的.并且并且具有具有电电流密度的性流密度的性质质，麦克斯，麦克斯韦韦把它称做把它称做位移位移电电流流密度密度jD 2 2、位移电流、位移电流9本讲稿第九页，共五十四页而把而把称称为为位移电流位移电流ID为D在S面上的通量位移电流的物理意义存在电流i时，“电容极板”间只有变化的E，D，jD并非真实电流，电流i中断而不连续。但jD可以起到“接续电流”以保持电流连续的作用。在整个场空间的一个截面S上的全部位移电流总和就等于电路中的电流i。10本讲稿第十页，共五十四页全电流全电流I考虑更普遍的情况：“电容”间填充有能导电的电介质
5、，显然极化电荷数量也会变化。这时i0不等于i，而应当是在普遍情况下仍然是 保持“电流”的连续。11本讲稿第十一页，共五十四页11.1.2 11.1.2 全电流定律全电流定律在引在引进进了位移了位移电电流的概念之后，麦克斯流的概念之后，麦克斯韦为韦为了把安培了把安培环环路路定理推广到非定理推广到非稳稳恒情况下也适用的普遍形式，用全恒情况下也适用的普遍形式，用全电电流代流代替式替式(11.6)右右边边的的传导电传导电流，得到流，得到即在普遍情况下，磁即在普遍情况下，磁场场强强度度H沿任一沿任一闭闭合回路合回路l的的积积分等于分等于穿穿过过以以该该回路回路为边为边界的任意曲面的全界的任意曲面的全电电
6、流流.这这就是麦克斯就是麦克斯韦韦的的全电流定律全电流定律.12本讲稿第十二页，共五十四页位移电流与传导电流之异同位移电流与传导电流之异同相同处：相同处：都可以激发涡旋磁场。都可以激发涡旋磁场。不过在一般情况下，位移电流产生的磁场很弱不易被人不过在一般情况下，位移电流产生的磁场很弱不易被人们所觉察，但在超高频情况下，位移电流激发的磁场也是很们所觉察，但在超高频情况下，位移电流激发的磁场也是很强的。强的。麦克斯麦克斯韦韦的位移的位移电电流流假假设设的的实质实质在于，它在于，它说说明了明了位移位移电电流流与与传导电传导电流一流一样样都是激都是激发发磁磁场场的源，的源，其核心是其核心是变变化的化的电
7、场电场可可以激以激发发磁磁场场.13本讲稿第十三页，共五十四页不同处：不同处：传导电流是自由电荷的定向移动，只能存在于导体或传导电流是自由电荷的定向移动，只能存在于导体或溶液中溶液中 位移电流不存在电荷的移动，而是电场对时间的变化位移电流不存在电荷的移动，而是电场对时间的变化率，即使在真空中也可有位移电流。率，即使在真空中也可有位移电流。传导电流在导体中产生焦耳热，真空中的位移电流不产生传导电流在导体中产生焦耳热，真空中的位移电流不产生焦耳热。焦耳热。14本讲稿第十四页，共五十四页11.1.3 11.1.3 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组2.2.电场强度沿任意闭合曲线的线积分等于以该曲线为边电场
8、强度沿任意闭合曲线的线积分等于以该曲线为边界的任意曲面的磁通量的变化率的负值。界的任意曲面的磁通量的变化率的负值。1.1.通过任意闭合面的电位移通量等于该曲面所包围的自由通过任意闭合面的电位移通量等于该曲面所包围的自由电荷的代数和。电荷的代数和。3.3.通过任意闭合曲面的磁通量恒等于零。通过任意闭合曲面的磁通量恒等于零。15本讲稿第十五页，共五十四页4.4.磁场强度沿任意闭合曲线的线积分等于穿过以该曲磁场强度沿任意闭合曲线的线积分等于穿过以该曲线为边界的曲面的全电流。线为边界的曲面的全电流。归纳归纳起来，麦克斯起来，麦克斯韦韦方程方程组组的的积积分形式分形式为为16本讲稿第十六页，共五十四页在
9、有介在有介质质存在存在时时，E和和B都与介都与介质质的特性有关，因此上述麦克斯的特性有关，因此上述麦克斯韦韦方程方程组组是不完是不完备备的，的，还还需要再需要再补补充描述介充描述介质质性性质质的下述方程的下述方程式式(11.15)中的中的，分分别别是介是介质质的介的介电电常数、磁常数、磁导导率和率和电导电导率率.麦克斯麦克斯韦韦方程方程组组(11.14a)的微分形式如下的微分形式如下（11.14b11.14b）其中其中和和分分别为电别为电位移和磁感位移和磁感应应强强度的度的散度，散度，和和分分别为电场别为电场强强度和磁度和磁场场强强度的旋度度的旋度.17本讲稿第十七页，共五十四页从麦氏方程还可
10、以看出，随时间线性变化的电场产生不了变化的磁场，随时间线性变化的磁场产生不了变化的电场，因此，激发电磁波的条件是变化的电磁场必须是随时间非线性变化的电磁场。并且E，B的大小与 正相关，因而辐射强度随频率增高而增大。进一步，从下图可知E，B的方向互相垂直，且传播方向与E，B所在平面垂直。由此可知，电磁波是一种横波。从上面的从上面的论论述中我述中我们们看到，麦克斯看到，麦克斯韦韦理理论论不但提出了不但提出了涡涡旋旋电电场场、位移、位移电电流流这样这样的概念，的概念，还还包括了从特殊情况包括了从特殊情况(静静电场电场和和稳稳恒磁恒磁场场)向一般非向一般非稳稳恒情况的假恒情况的假设设性推广性推广.其中
11、的第其中的第2第第4个方程更个方程更表明表明变变化的磁化的磁场场能在周能在周围围激激发电场发电场，变变化的化的电场电场在周在周围围能激能激发发磁磁场场-从而可推断从而可推断电电磁波的存在及磁波的存在及传传播。播。18本讲稿第十八页，共五十四页19本讲稿第十九页，共五十四页20本讲稿第二十页，共五十四页*11-2 *11-2 电磁波电磁波可以可以证证明：真空中一个以加速度明：真空中一个以加速度a作直作直线线运运动动的点的点电电荷，荷，在空在空间间相相对对于点于点电电荷的位矢荷的位矢为为r的任一点的任一点P产产生的径向生的径向电场电场Er和横向和横向电场电场E以及横向磁以及横向磁场场B如如图图11
12、.2所示，分所示，分别别为为图图11.2加速运动点加速运动点电荷的电场和磁场电荷的电场和磁场21本讲稿第二十一页，共五十四页（11.16）式给出的实际是静电场部分。（11.17）和（11.18）则是因加速运动 而激发的电磁波。电磁波的场强（能量）与电荷运动的加速度成正比。加速运动的电荷产生的电磁场是随时间非线性变化的。如果电磁波由电流产生，则只有变化的电流才会激发辐射电磁波，辐射强度与交变电流的频率（反映电荷运动的加速度）有关。频率越高，辐射越强。22本讲稿第二十二页，共五十四页考考虑虑方向关系，方向关系，电电磁波中磁波中E和和B的关系的关系(把下把下标标去掉去掉)可可写成写成式中式中c为为真
13、空中光速真空中光速.这这一关系一关系对对于真空中的各种于真空中的各种电电磁波磁波都成立都成立.式式(11.17)和和(11.18)表示的表示的电场电场和磁和磁场场都和都和电电荷的加速荷的加速度成正比，即度成正比，即电场电场和磁和磁场场都随都随时间变时间变化化.这这种种变变化的化的电电磁磁场场不断向外不断向外传传播播.所以，加速运所以，加速运动动的的电电荷在向外荷在向外辐辐射射电电磁波，同磁波，同时时也也辐辐射能量射能量.23本讲稿第二十三页，共五十四页 当空间某区域内存在一个当空间某区域内存在一个非线性的变化电场非线性的变化电场时，在邻近区时，在邻近区域内将引起变化的磁场；这变化的磁场又在较远
14、的区域内域内将引起变化的磁场；这变化的磁场又在较远的区域内引起新的变化的电场引起新的变化的电场，这种变化的电场和变化的磁，这种变化的电场和变化的磁场交替产生、由近及远，以有限速度在空间传播的过程场交替产生、由近及远，以有限速度在空间传播的过程称为称为电磁波电磁波。、电磁波的产生和传播、电磁波的产生和传播11.2.1 11.2.1 振荡电偶极子产生的电磁波（不讲）振荡电偶极子产生的电磁波（不讲）24本讲稿第二十四页，共五十四页 产生电磁波的装置称为产生电磁波的装置称为波源波源。电磁波波源的基本单元为。电磁波波源的基本单元为振荡电偶极子。即电矩作周期性变化的电偶极子。其振荡电振荡电偶极子。即电矩作
15、周期性变化的电偶极子。其振荡电偶极矩为偶极矩为 p=ql=ql0cost=p0cost (11.20)式中式中p0=ql0是电矩振幅，是电矩振幅，为圆频率。为圆频率。振荡电偶极子中的正负电荷相对其中心处作简谐振动。振荡电偶极子中的正负电荷相对其中心处作简谐振动。由于电磁场是以有限速度传播，因此空间各点电场的变化由于电磁场是以有限速度传播，因此空间各点电场的变化滞后于电荷位置的变化，即空间某点滞后于电荷位置的变化，即空间某点P处在处在t时刻的电力线时刻的电力线应与应与t-t时刻电荷位置决定的该点处的场强相对应。时刻电荷位置决定的该点处的场强相对应。25本讲稿第二十五页，共五十四页点击查点击查看效
16、果看效果26本讲稿第二十六页，共五十四页 如图如图(b)所示，图中过所示，图中过P点的电力线应与图的电力线应与图(a)中电荷中电荷位置所决定的位置所决定的P点的场强相对应。因此，在正负电荷点的场强相对应。因此，在正负电荷靠近的靠近的t时刻，空间的电力线形状如图时刻，空间的电力线形状如图(b)所示。所示。而当两个电荷相重合时，电力线闭合，如图而当两个电荷相重合时，电力线闭合，如图(c)所示。所示。此后，闭合电力线此后，闭合电力线(它代表涡旋电场它代表涡旋电场)便脱离振子，而正、便脱离振子，而正、负电荷向相反方向运动，如图负电荷向相反方向运动，如图11-2(11-2(d)所示。所示。27本讲稿第二
17、十七页，共五十四页 偶极子不断振荡，形成的涡旋状电力线不断向外传偶极子不断振荡，形成的涡旋状电力线不断向外传播。同时，由于振荡电偶极子随时间变化的非线性关系，播。同时，由于振荡电偶极子随时间变化的非线性关系，必然激起变化的涡旋电场。后者又会激起新的涡旋电场，必然激起变化的涡旋电场。后者又会激起新的涡旋电场，彼此互相激发，形成偶极子周围的电磁场。由麦克斯韦彼此互相激发，形成偶极子周围的电磁场。由麦克斯韦方程组推导可得：振荡电偶极子在各向同性介质中辐射方程组推导可得：振荡电偶极子在各向同性介质中辐射的电磁波，在远离偶极子的空间任一点处的电磁波，在远离偶极子的空间任一点处(rl)，t 时时刻的电场刻
18、的电场E和磁场和磁场H的量值分别为的量值分别为28本讲稿第二十八页，共五十四页如图所示，如图所示，r 是矢径是矢径r 的量值，偶极子位于的量值，偶极子位于中心，偶极矩中心，偶极矩Pql。为为r与与p之间的夹角。之间的夹角。式式(11.21a)和式和式(11.21b)是球面是球面电电磁波方程式磁波方程式，为电磁波在该介质中的波速为电磁波在该介质中的波速.29本讲稿第二十九页，共五十四页 在更加远离电偶极子的地方，因在更加远离电偶极子的地方，因r很大，在通常研究的很大，在通常研究的范围内范围内角的变化很小，角的变化很小，E、H可看成振幅恒定的矢量。因可看成振幅恒定的矢量。因此此即在远离电偶极子的地
19、方，电磁波可看作是平面电磁波。即在远离电偶极子的地方，电磁波可看作是平面电磁波。11.2.2 11.2.2 平面电磁波平面电磁波30本讲稿第三十页，共五十四页平面电磁波的性质平面电磁波的性质(1)E和和H互相垂直，且均与传播方向垂直互相垂直，且均与传播方向垂直.即即EH且且Eu，Hu.平面电磁波是横波平面电磁波是横波.(2)E和和H分别在各自平面上振动，这一特性称为偏振性分别在各自平面上振动，这一特性称为偏振性.电偶极子辐射的电磁波是偏振波电偶极子辐射的电磁波是偏振波.(3)E和和H同相位，且同相位，且EH的方向在任意时刻都指向波的传的方向在任意时刻都指向波的传播方向，即波速播方向，即波速u的
20、方向的方向.31本讲稿第三十一页，共五十四页平面电磁波的性质平面电磁波的性质(4)在同一点在同一点E和和H的量值间关系为的量值间关系为(5)电磁波的波速电磁波的波速 ，即，即u只由媒质的介电常只由媒质的介电常数和磁导率决定数和磁导率决定.在真空中在真空中32本讲稿第三十二页，共五十四页11.2.3 11.2.3 振荡电路振荡电路 赫兹实验（不讲）赫兹实验（不讲）麦克斯韦在麦克斯韦在1864年预言了电磁波的存在。年预言了电磁波的存在。1888年赫兹年赫兹利用振荡器和谐振器在实验中证实了电磁波的存在。产生利用振荡器和谐振器在实验中证实了电磁波的存在。产生电磁振荡的电路叫电磁振荡的电路叫振荡电路振荡
21、电路。在理想的电阻为零的无阻。在理想的电阻为零的无阻尼情况下，尼情况下，LC 振荡电路的周期振荡电路的周期T0和频率和频率f0由振荡电路本由振荡电路本身性质决定。其关系为身性质决定。其关系为1 1、振荡电路、振荡电路33本讲稿第三十三页，共五十四页 其中其中L、C分别为振荡电路的自感和电容。但是在分别为振荡电路的自感和电容。但是在这种这种LC振荡电路中，变化的电场局限于电容器中，而振荡电路中，变化的电场局限于电容器中，而变化的磁场基本局限在电感线圈中，不利于辐射电磁变化的磁场基本局限在电感线圈中，不利于辐射电磁波。波。为便于辐射，使电容器极板成开放状。为便于辐射，使电容器极板成开放状。(1)(
22、1)频率必须足够高频率必须足够高 减小电容减小电容C：S ，d 减小电感减小电感L：n （2 2）电路必须开放电路必须开放34本讲稿第三十四页，共五十四页 赫兹振荡器发射的电磁波是间歇性的、减幅高频振荡的赫兹振荡器发射的电磁波是间歇性的、减幅高频振荡的电磁波。电磁波。赫兹还利用振荡偶极子进行了许多实验。证明了电赫兹还利用振荡偶极子进行了许多实验。证明了电磁波和光波一样，具有反射、折射、干涉和行射特征，磁波和光波一样，具有反射、折射、干涉和行射特征，确定了电磁波以光速传播。从此，电磁理论成为波动确定了电磁波以光速传播。从此，电磁理论成为波动光学和无线电通讯的基础。光学和无线电通讯的基础。2 2、
23、赫兹实验、赫兹实验35本讲稿第三十五页，共五十四页11.2.4 11.2.4 电磁波谱电磁波谱我我们们将将电电磁波按波磁波按波长长或或频频率的率的顺顺序排列成序排列成谱谱，称，称为电为电磁波磁波谱谱.图图11.7是按是按频频率和波率和波长长两种两种标标度度绘绘制的制的电电磁波磁波谱谱.图图11.7电电磁波磁波谱谱36本讲稿第三十六页，共五十四页电电磁波在本磁波在本质质上相同，但不同波上相同，但不同波长长范范围围的的电电磁波的磁波的产产生生方法各不相同方法各不相同.(1)无无线电线电波是利用波是利用电电磁振磁振荡电荡电路通路通过过天天线发线发射的，波射的，波长长在在104102m范范围围内内(包
24、括微波在内包括微波在内).(2)炽热炽热的物体、气体放的物体、气体放电电等是原子中外等是原子中外层电层电子的子的跃跃迁所迁所发发射射的的电电磁波磁波.(3)当快速当快速电电子射到金属靶子射到金属靶时时，会引起原子中内，会引起原子中内层电层电子的子的跃跃迁而迁而产产生生X射射线线，其波，其波长长在在0.410105.0109m范范围围内内.37本讲稿第三十七页，共五十四页(4)当原子核内部状当原子核内部状态态改改变时变时会会辐辐射出射出射射线线，其波，其波长长在在1010m以下以下.波段波段波波长长(m)频频率率(kHz)主要用途主要用途长长波波30000300010102电报电报通通讯讯中波中
25、波30002001021.5103无无线电线电广播广播中短波中短波200501.51036103电报电报通通讯讯、无、无线电线电广播广播短波短波501061033104电报电报通通讯讯、无、无线电线电广播广播超短波超短波(米波米波)101.031043105无无线电线电广播广播电视电视、导导航航分米波分米波10.131053106电视电视、雷达、雷达、导导航航微波微波(厘米波厘米波)0.10.0131063107电视电视、雷达、雷达、导导航航毫米波毫米波0.010.00131073108雷达、雷达、导导航、其他航、其他专门专门用途用途表表11.1各种无各种无线电线电波的范波的范围围和用途和用途
26、38本讲稿第三十八页，共五十四页*11-3 *11-3 电磁场的能量和动量电磁场的能量和动量电磁场是一种物质，具有能量电磁场是一种物质，具有能量.电磁场的能量包括电场能量电磁场的能量包括电场能量和磁场能量两部分和磁场能量两部分.当电磁场与其他带电物体相互作用时，当电磁场与其他带电物体相互作用时，电磁场的能量和带电物体的机械能之间可以相互转化电磁场的能量和带电物体的机械能之间可以相互转化.11.3.1 11.3.1 电磁场的能量密度与能流密度电磁场的能量密度与能流密度 39本讲稿第三十九页，共五十四页电电磁磁场场中中单单位体位体积积空空间间内的能量称内的能量称为电为电磁磁场场能量密度能量密度，用
27、用w表示表示.单单位位时间时间通通过电过电磁磁场场中与能量中与能量传传播方向垂直播方向垂直的的单单位面位面积积上的能量称上的能量称为为能流密度能流密度，它是一个矢量，用，它是一个矢量，用S表示，称表示，称为为坡印延矢量坡印延矢量.S的方向代表能量的方向代表能量传传播的方向播的方向.电场电场能量密度能量密度weED磁磁场场能量密度能量密度wmBH40本讲稿第四十页，共五十四页电电磁磁场场空空间间某区域体某区域体积积V，其表面，其表面积积，自由，自由电电荷密度荷密度e0，电电流密度流密度j0.以以f表示表示单单位体位体积电积电磁磁场对电场对电荷的作用力，荷的作用力，即作用力密度，即作用力密度，v表
28、示表示电电荷的运荷的运动动速度速度.则则能量守恒定律要能量守恒定律要求求单单位位时间时间内通内通过过界面界面流入流入V内的能量等于内的能量等于电电磁磁场对场对V内内电电荷做功的功率与荷做功的功率与V内内电电磁磁场场能量的增加率之和，即能量的增加率之和，即11.3.2 11.3.2 电磁场能量密度电磁场能量密度ww与能流密度与能流密度S S的表达式的表达式 相相应应的微分形式是的微分形式是41本讲稿第四十一页，共五十四页现现在我在我们们根据麦克斯根据麦克斯韦韦方程方程组组和洛和洛仑兹仑兹力公式，力公式，导导出出w和和S的表达式的表达式然后将麦克斯然后将麦克斯韦韦方程方程组组微分形式微分形式(11
29、.14b)的第四式的第四式代入上式，得代入上式，得42本讲稿第四十二页，共五十四页再利用矢量分析公式再利用矢量分析公式即式即式(11.26)可可变为变为43本讲稿第四十三页，共五十四页将上式与式将上式与式(11.25)比较可得比较可得 在介在介质质中极化能和磁化能都中极化能和磁化能都归归入入场场能中，能中，w和和S分分别别代表介代表介质质中中总电总电磁能的能量密度和能流密度，磁能的能量密度和能流密度，则则此式此式为电为电磁磁场场能流密度能流密度S的表达式的表达式.44本讲稿第四十四页，共五十四页对对平面平面电电磁波磁波此式此式为电为电磁磁场场能量密度表达式能量密度表达式.在在线线性介性介质质情
30、况，情况，对对上式上式积积分分可得可得式中式中E0和和H0分分别别是是E、H的振幅的振幅.45本讲稿第四十五页，共五十四页振振荡电荡电偶极子的能流密度大小偶极子的能流密度大小为为S在一个周期内的平均在一个周期内的平均值值即平均能流密度即平均能流密度为为46本讲稿第四十六页，共五十四页11.3.3 11.3.3 电磁场的动量电磁场的动量由于真空中由于真空中电电磁波是以光速磁波是以光速c传传播的，所以用狭播的，所以用狭义义相相对论对论的的光子光子动动量与能量关系式量与能量关系式WcP可以求得与真空中平面可以求得与真空中平面电电磁磁波相波相联联系的空系的空间间每每单单位体位体积积的的电电磁波磁波动动
31、量，即量，即动动量密度量密度g为为 写成矢量式，为写成矢量式，为47本讲稿第四十七页，共五十四页由于电磁波具有动量，所以它们在物体表面被反射或吸由于电磁波具有动量，所以它们在物体表面被反射或吸收时对物体必定产生压强，称为辐射压。若是光波，则收时对物体必定产生压强，称为辐射压。若是光波，则为光压。为光压。可见光的光压一般只有可见光的光压一般只有105帕。帕。星体外层受到其核心部分的万有引力而不塌缩，主要是靠辐星体外层受到其核心部分的万有引力而不塌缩，主要是靠辐射光压来平衡。射光压来平衡。48本讲稿第四十八页，共五十四页11.3.4 11.3.4 同步辐射同步辐射 由上讨论可知，做由上讨论可知，做
32、加速运动的电荷要产生辐射加速运动的电荷要产生辐射 对于作匀速率圆周运动的电荷，由于存在向心加速度，所对于作匀速率圆周运动的电荷，由于存在向心加速度，所以也要发射电磁波。例如，在回旋加速器的磁场中作圆周以也要发射电磁波。例如，在回旋加速器的磁场中作圆周运动的质子或电子就要产生强烈的辐射，这时由加速器提运动的质子或电子就要产生强烈的辐射，这时由加速器提供给粒子的能量将有一部分转变为辐射能。供给粒子的能量将有一部分转变为辐射能。49本讲稿第四十九页，共五十四页BavS的角分布+e当粒子的速度接近光速时，粒子辐射的能流密度当粒子的速度接近光速时，粒子辐射的能流密度S S的角的角分布形成一个指向前方的锥
33、形瓣（如图所示），随着分布形成一个指向前方的锥形瓣（如图所示），随着粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射称为粒子运动，象一个转动的探照灯束，这种辐射称为同同步辐射步辐射。50本讲稿第五十页，共五十四页同步辐射最早由我国理论物理学家朱洪元于同步辐射最早由我国理论物理学家朱洪元于1946年提出。年提出。第二年在美国的一台电子同步加速器中发现了这种辐射。第二年在美国的一台电子同步加速器中发现了这种辐射。同步辐射的存在阻碍了被加速电子能量的提高，对建造同步辐射的存在阻碍了被加速电子能量的提高，对建造高能加速器是不利的。高能加速器是不利的。但是，但是，20世纪世纪70年代起，人们认识到年代起，人们认
34、识到用同步辐射作光源用同步辐射作光源具有具有很多优点：同步辐射具有很宽的频率范围（从红外线、可很多优点：同步辐射具有很宽的频率范围（从红外线、可见光、紫外线到见光、紫外线到X射线的连续谱）和很小的发散角（约射线的连续谱）和很小的发散角（约10-3mrad），有很好的方向性和很高的亮度，并随着电子的），有很好的方向性和很高的亮度，并随着电子的回旋以脉冲形式输出等等。回旋以脉冲形式输出等等。51本讲稿第五十一页，共五十四页 在自然界也发现有在自然界也发现有许多星云或类星体发出同步辐射许多星云或类星体发出同步辐射。例如蟹状星云就发射出很强的连续谱辐射，据分析，例如蟹状星云就发射出很强的连续谱辐射，据
35、分析，这是电子和质子因陷入星体磁场作高速回转所致。这是电子和质子因陷入星体磁场作高速回转所致。由于同步辐射在众多的科技领域中得到愈来愈广泛的由于同步辐射在众多的科技领域中得到愈来愈广泛的应用，从而成为继激光之后的另一新型光源，一些同步应用，从而成为继激光之后的另一新型光源，一些同步加速器成为输出同步辐射光的设备。现在，我国大陆地加速器成为输出同步辐射光的设备。现在，我国大陆地区的北京和合肥建有国家同步辐射实验室。区的北京和合肥建有国家同步辐射实验室。52本讲稿第五十二页，共五十四页11.3.5 11.3.5 电磁场是物质的一种形态电磁场是物质的一种形态 能量和能量和动动量都是物量都是物质质运运
36、动动的量度，运的量度，运动动是物是物质质的存在形式的存在形式.电电磁磁场场具有能量和具有能量和动动量，它是物量，它是物质质的一种形的一种形态态.我我们发现们发现“场场”和和“实实物物”之之间间的界限日的界限日渐渐消失消失.研究黑体研究黑体辐辐射与光射与光电电效效应应等等现现象象发现发现光也具有不光也具有不连续连续的微的微观结观结构，而构，而由由电电子衍射子衍射现现象象发现发现，一向被，一向被认为认为是是实实物粒子的物粒子的电电子也具子也具有波有波动动性性.特特别别是是19321932年年发现发现，一，一对对正正负电负电子子结结合后可合后可以以转转化化为为射射线线.53本讲稿第五十三页，共五十四页事事实实表明，表明，电电磁磁场场和和实实物一物一样样，也是客，也是客观观存在的物存在的物质质.只只是是电电磁磁场场和和实实物各具有一些不同的属性，而物各具有一些不同的属性，而这这些属性些属性还还会会在一定的条件下相互在一定的条件下相互转转化化.54本讲稿第五十四页，共五十四页