Wie entstehen elektromagnetische Wellen?

Zunächst sollte man den Unterschied zwischen der klassischen elektromagnetischen Theorie, die die Synchrotronstrahlung vollständig mit den Potentialen beschreibt, die von einem klassischen bewegten geladenen Teilchen erzeugt werden, und dem Quantensystem für EM, das aus Photonen besteht, die die klassische Strahlung aufbauen.

Welche Frequenz wird die Strahlung der zweiten Animation haben?

Synchrotronstrahlung hat ein Frequenzspektrum, wie es in der oben genannten Vorlesung zu sehen ist:

Es ist ein Kontinuum von emittierten Photonenenergien. Auf quantenmechanischer Ebene ist es die probabilistische Wechselwirkung des geladenen Teilchens mit dem Feld, das es beschleunigt.

Das untere Photon ist eine Off-Masse-Hülle, die die Energie aus dem Beschleunigungsfeld für die Strahlung des echten Photons (oben) liefert.

Wenn ein geladenes Teilchen dann von der Strahlung getroffen wird, die von der zweiten Animation emittiert wird, würde es dann nur eine Kraft in einer einzigen Richtung spüren und nicht eine oszillierende Kraft?

Sie hängt von der Größe des geladenen Teilchens ab. Auf der Quantenebene werden nur Energien und Spins ausgetauscht. Das einzelne Photon schwingt nicht, nur seine Wellenfunktion, deren komplex konjugiertes Quadrat die Wahrscheinlichkeitsdichte für das Auftreten der Wechselwirkung ergibt.

In Bezug auf die tatsächlichen Photonen scheint die erste Animation nur Photonen mit der gleichen Frequenz wie die Schwingung des Teilchens zu emittieren.

Der Dipol emittiert klassisches EM-Licht mit Zillionen von Photonen an Energie =$h \ \nu$, die Frequenz, weil sie die ~10 ²³ Atome der Dipolantenne benötigt. Ein einzelnes quantenmechanisches Teilchen ist kein Dipol (es kann als Dipol in einem eingeprägten Feld wechselnder Frequenz strahlen), es muss durch Feynman-Diagramme mit probabilistischer Strahlung einzelner Photonen abgebildet werden.

Würde es also für diesen Zeitraum genau die gleichen Photonen emittieren?

Die Emission folgt der Wahrscheinlichkeitsverteilung für die Lösung des obigen Feynman-Diagramms.

Wie Ihre Frage andeutet, ist die Frequenzbereichsanalyse eine Annehmlichkeit, die oft die Intuition verdeckt, was die Felder zu einem bestimmten Zeitpunkt tatsächlich tun. Es braucht etwas Übung, um zu lernen, zwischen den Frequenz- und Zeitbereichen hin und her zu springen, aber für Anfragen wie diese zahlt es sich sicherlich aus.

Das Rezept ist einfach:

1. Wählen Sie einen Ort in Raum und Zeit.

2. Beginnen Sie von diesem Punkt an, das elektrische Feld als Funktion der Zeit zu messen.

3. Fourier-Transformation der resultierenden Wellenform, um die Frequenzbereichsdarstellung zu erhalten.

Bei der zweiten Animation werden Sie feststellen, dass Ihre zeitliche E-Feld-Wellenform ein kurzer Impuls mit einer gewissen Dauer ist (die Impulsdauer folgt der Dauer der Beschleunigung). Da Zeit und Frequenz konjugierte Variablen sind, ist die entsprechende Frequenz: alle, von nahe 0 Hz bis ungefähr zur inversen Dauer des Impulses (nebenbei wird die spektrale Phase flach sein, was bedeutet, dass alle Frequenzen sind in Phase zueinander). Das heißt, ein zeitlich kurzer Impuls ist ein breitbandiger Frequenzimpuls. Es gibt keine einzelne Frequenz, die dieses Ereignis beschreibt, im Gegensatz zu der oszillierenden Ladung der ersten Animation, die für immer oszillieren muss, um eine wirklich einzelne Frequenz zu erreichen ($\delta$Funktion) Emission.