偶极和多极辐射

振荡偶极是最简单的辐射源，而多极展开则能组织任何局域源的辐射。

Definition

将局域时变源的辐射描述为一系列多极贡献——电偶极、磁偶极、电四极及更高阶——每个贡献都具有特征性的角模式和功率，对于小尺寸源，最低非零项通常占主导地位。

Scope

本主题涵盖电偶极和磁偶极辐射、它们的角分布、总辐射功率和频率依赖性，以及局域振荡源辐射的系统性多极展开，以及连续多极阶的相对强度。它提供了在长波长范围内分析分子、天线和原子核发射的标准工具。

Core questions

• 振荡电偶极的辐射模式和功率是怎样的？
• 磁偶极和更高阶多极辐射的强度如何比较？
• 多极展开如何组织一般源的辐射？

Key concepts

• 电偶极辐射
• 磁偶极辐射
• 电四极辐射
• 多极展开
• 角分布
• 辐射功率标度

Key theories

电偶极辐射

振荡电偶极以特征性的角模式辐射，总功率通常与偶极矩的平方和频率的四次方成比例，这是主要的且通常占主导地位的辐射项。

辐射的多极展开

局域源的辐射被展开为递增阶数的电多极和磁多极，每个连续的阶数通常比前一阶弱，其衰减因子与源尺寸和波长的比值有关。

Clinical relevance

多极辐射理论解释了原子和分子的发射和吸收、天线辐射模式、偶极跃迁在光谱学中的主导地位，以及用于解释化学和天体物理学光谱的选择定则。

History

赫兹在1888年的实验中分析了振荡偶极的辐射，首次提供了辐射系统的详细图像。随着电磁理论的成熟，系统性的多极展开得以发展，并成为原子和核辐射研究的关键。

Key figures

• Heinrich Hertz
• Joseph Larmor
• James Clerk Maxwell

Seminal works

• jackson1998
• landau1975

Frequently asked questions

为什么电偶极辐射通常占主导地位？

对于远小于波长的源，每个更高阶的多极都较弱，因此除非电偶极矩因对称性而消失，否则它通常在辐射功率中占主导地位。

为什么偶极辐射随频率增加如此迅速？

振荡偶极的辐射功率与频率的四次方成比例，这就是为什么高频振荡辐射效率更高，并构成了散射阳光呈蓝色的原因。