Freie-Elektronen-Laser hat wirklich freie Elektronen?

Ich habe das gelesen:

https://en.wikipedia.org/wiki/Free-electron_laser

Dies besagt, dass Elektronen frei sind.

Jetzt gibt es auf dieser Seite eine Debatte darüber, ob ein wirklich freies Elektron im Vakuum ein Photon emittieren kann oder nicht.

Ein freies (ungebundenes, also nicht an einen Kern gebundenes) beschleunigtes Elektron kann kein echtes Photon emittieren/absorbieren?

Kann ein beschleunigtes "freies" Elektron ein Photon absorbieren?

Aufgrund der Antworten glaube ich, dass ein freies Elektron im Vakuum kein Photon emittieren kann. Es muss einen Dritten in der Gleichung geben, zu dem das Elektron relativ beschleunigt.

Elektronen können nur dann ein Photon emittieren, wenn sie:

  1. entweder an ein atomares System gebunden

  2. oder beschleunigen in einem Metallleiter, aber diese Elektronen sind nicht frei, sie sind lose an die Atome gebunden

Nun, basierend auf dem Wiki-Artikel, ist dies nicht wahr. Freie-Elektronen-Laser emittieren Photonen, und die Elektronen sollen hier im Vakuum frei sein. Sie sind also an kein atomares System gebunden.

Der Elektronenstrahl muss in einem Vakuum gehalten werden, was die Verwendung zahlreicher Vakuumpumpen entlang des Strahlengangs erfordert.

Frage:

  1. Wie emittieren nun diese wirklich freien Elektronen im Vakuum die Photonen des Lasers?

  2. Sind diese Elektronen im Freie-Elektronen-Laser dasselbe wie beschleunigende Elektronen in einem Metallleiter? Sind sie also lose an die Atome gebunden? Aber es gibt keine Atome im Vakuum, also wie emittieren sie Photonen?

Das einfallende Photon ist frei. Die einzige Bedingung, um EM-Strahlung in den FEL zu bekommen, ist die kinetische Energie der Elektronen. Im FEL ist es nicht frei, weil es durch die Wechselwirkung des magnetischen Dipolmoments des Elektrons und des Magnetfelds des FEL abgelenkt wird. Dieses Mal wird die kinetische Energie Quantenweise in EM-Strahlung umgewandelt.

Antworten (1)

Sie mischen und passen verschiedene Verwendungen des Wortes "frei" auf eine Weise an, die Ihre Frage zutiefst untergräbt. Da Ihre Frage keine eindeutige Referenzdefinition dieses Begriffs enthält, ist sie letztendlich nicht zu beantworten.

Trotzdem spricht einiges dafür.

  • Die Elektronen sind in dem Sinne frei, dass sich außer den Elektronen nichts anderes in der Vakuumkammer befindet.

  • Die Elektronen sind jedoch nicht "frei" im Sinne der Ergebnisse, mit denen Sie Widersprüche finden, was erfordern würde, dass sich diese "freien" Elektronen ohne Kollisionen in einer ständigen, gleichmäßigen, geradlinigen Bewegung bewegen. Die Elektronen in einem FEL bewegen sich nicht geradlinig – sie werden von den Magneten im Undulator angetrieben, beschleunigen also und senden dabei Synchrotronstrahlung aus .

    In Bezug auf Ihre Frage hier gibt es nichts Spezifisches für FELs: Sie erhalten genau die gleichen offensichtlichen Widersprüche, wenn Sie die Emission von Strahlung in einem beliebigen Synchrotron betrachten. Sie haben Magnete, die die Elektronen beschleunigen und dabei Strahlung abgeben.

    Die von Ihnen zitierten Ergebnisse basieren auf der Tatsache, dass Sie einem zeitähnlichen Vier-Impuls keinen Null-Vier-Vektor hinzufügen und einen anderen zeitähnlichen Vier-Impuls mit derselben Masse erhalten können. (Das ist ziemlich technisch, aber es ist extrem wichtig. Wenn Sie diese Argumentation nicht vollständig und tiefgreifend verstehen, dann sind alle anderen hier nur Worte im Vakuum.) Elektronen im Vakuum müssen nicht "gebunden" werden, um oder zu absorbieren Photonen emittieren - sie brauchen nur ein anderes System mit einem zeitähnlichen Vier-Impuls, mit dem sie Impuls und Energie austauschen können. Für Elektronen in einem Synchrotron oder einem FEL wird dieser Schlitz durch die Magnete im Synchrotron bzw. im Undulator gefüllt.

Vielen Dank! die Elektronen müssen also nicht an ein Atomsystem gebunden sein. Sie müssen nur über virtuelle Photonen mit dem Magnetfeld interagieren, richtig? Daraus gewinnen sie die kinetische Energie, um zu beschleunigen und damit Photonen auszusenden. Wenn sie also die Photonen emittieren, verlieren sie kinetische Energie, aber sie gewinnen kinetische Energie aus den virtuellen Photonen des Magnetfelds. das Magnetfeld einen zeitähnlichen Viererimpuls hat und die Elektronen damit Impuls und Energie austauschen können, wenn sie ein Photon emittieren?
"das magnetische feld hat einen zeitähnlichen vierimpuls" - nein. Das Magnetfeld vermittelt die Impulsübertragung zwischen den Elektronen und dem Magneten, der einen zeitähnlichen Viererimpuls hat. Das virtuelle Photonenbild hat seinen Nutzen, aber es neigt dazu, in alle möglichen falschen Gassen zu führen (von denen Sie viele zu nehmen scheinen).
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