Dipol- und Multipolstrahlung

Oszillierende Dipole sind die einfachsten Strahler, und die Multipolexpansion organisiert die Strahlung jeder lokalisierten Quelle.

Definition

Die Beschreibung der Strahlung einer lokalisierten, zeitlich variierenden Quelle als eine Reihe von Multipolbeiträgen – elektrischer Dipol, magnetischer Dipol, elektrischer Quadrupol und höhere – jeder mit einem charakteristischen Winkelmuster und einer charakteristischen Leistung, dominiert bei kleinen Quellen durch den niedrigsten nicht verschwindenden Term.

Scope

Dieses Thema behandelt elektrische und magnetische Dipolstrahlung, ihre Winkelverteilungen und die gesamte abgestrahlte Leistung sowie die Frequenzabhängigkeit, die systematische Multipolexpansion der Strahlung einer lokalisierten oszillierenden Quelle und die relativen Stärken aufeinanderfolgender Multipolordnungen. Es bietet die Standardwerkzeuge zur Analyse der Emission von Molekülen, Antennen und Atomkernen im Langwellenbereich.

Core questions

• Was ist das Strahlungsmuster und die Leistung eines oszillierenden elektrischen Dipols?
• Wie vergleichen sich magnetische Dipol- und höhere Multipolstrahlung in ihrer Stärke?
• Wie organisiert die Multipolexpansion die Strahlung einer allgemeinen Quelle?

Key concepts

• elektrische Dipolstrahlung
• magnetische Dipolstrahlung
• elektrische Quadrupolstrahlung
• Multipolexpansion
• Winkelverteilung
• Skalierung der abgestrahlten Leistung

Key theories

Elektrische Dipolstrahlung

Ein oszillierender elektrischer Dipol strahlt mit einem charakteristischen Winkelmuster und einer Gesamtleistung, die mit dem Quadrat des Dipolmoments und der vierten Potenz der Frequenz skaliert, dem führenden und in der Regel dominanten Strahlungsterm.

Multipolexpansion der Strahlung

Die Strahlung einer lokalisierten Quelle wird in elektrische und magnetische Multipole steigender Ordnung zerlegt, wobei jede aufeinanderfolgende Ordnung typischerweise um einen Faktor schwächer ist, der mit der Quellgröße im Verhältnis zur Wellenlänge zusammenhängt.

Clinical relevance

Die Multipolstrahlungstheorie erklärt die atomare und molekulare Emission und Absorption, die Strahlungsmuster von Antennen, die Dominanz von Dipolübergängen in der Spektroskopie und Auswahlregeln, die zur Interpretation von Spektren in Chemie und Astrophysik verwendet werden.

History

Hertz analysierte die Strahlung eines oszillierenden Dipols in seinen Experimenten von 1888 und lieferte damit das erste detaillierte Bild eines strahlenden Systems. Die systematische Multipolexpansion wurde mit der Reifung der elektromagnetischen Theorie entwickelt und wurde für die atomare und nukleare Strahlung unerlässlich.

Key figures

• Heinrich Hertz
• Joseph Larmor
• James Clerk Maxwell

Seminal works

• jackson1998
• landau1975

Frequently asked questions

Warum ist die elektrische Dipolstrahlung in der Regel dominant?

Für Quellen, die viel kleiner als die Wellenlänge sind, ist jede höhere Multipolordnung schwächer, sodass, sofern das elektrische Dipolmoment nicht aufgrund von Symmetrie verschwindet, es die abgestrahlte Leistung dominiert.

Warum nimmt die Dipolstrahlung so stark mit der Frequenz zu?

Die abgestrahlte Leistung eines oszillierenden Dipols skaliert mit der vierten Potenz der Frequenz, weshalb höherfrequente Schwingungen weitaus effizienter strahlen und Effekte wie die blaue Farbe des gestreuten Sonnenlichts zugrunde liegen.