이번 게시글에서는 전자기파를 방출(radiation)하는 방법에 대해서 알아본다.
고전적으로 가장 기본원리는 전하가 균일하지 않게 움직일 때 - 즉, 가속운동을 할 때 전자기파가 방출된다.
전하가 선형가속을 하면, 원래 생성하는 Radial한 방향의 longitudinal한 전기장에 kink가 발생하여 진행방향에 수직한 성분으로, transverse한 $\vec E$ field 또한 발생한다. 등속도 일 때는 kink가 일어나지 않으므로 수직한 방향의 전기장은 발생하지 않는다. 다음 그림을 보면 이해가 빠를 것이다.
Static 하게 이동하는 (등속도로 이동하는) 전기장의 크기는 쿨롱법칙에 따라 $1/r^2$으로 감소한다. 한편, 전자가 가속운동을 하면서 갑자기 발생한 transverse한 성분은 전하가 가속할 때만 생기고, 가속하는 정도에 따라 다른 값을 가진다. 즉,시간에 따른 크기의 변화를 가지게 되므로 페러데이의 법칙에 따라 자기장을 유도하며 그 크기가 $1/r$로 줄어든다. 따라서 우리는 광원에서 충분히 멀리 떨어지면, $1/r^2$으로 줄어드는 longitudinal한 전기장 성분은 관측할 수 없게되고, $1/r$로 감소하는 transverse한 성분만 관측할 수 있을 것이다.
이렇게 선형으로 가속시키는 방법도 있지만, 등속 원운동시킴으로써 가속운동을 할 수도 있을 것이다. 전하가 등속원운동하며 방출하는 전자기파를 'Synchrotron radiation' 이라고 한다. 앞에서 살펴봤듯이 가속방향과 수직한 방향에서 전자기파가 방출되기 때문에 원의 접선방향으로 전자기파를 radiation한다. 이 때 방출되는 전자기파는 전하의 속도가 빠를수록 진행하는 방향의 로브만 남는 방향성이 생기고, 결국에는 전자기파가 접선 평면에만 존재하게 된다.
또, 전하의 속도가 빠를수록 높은 에너지 (즉, 짧은 파장)의 전자기파를 방출하며, 같이 원운동을 하는 전하의 개수가 많을수록 방출되는 전자기파의 세기가 커진다. 뿐만 아니라 Synchrotron radiation에 의해 방출되는 전자기파는 매우 넓은 파장 영역에 분포하고 있다. 따라서 이를 이용해 선형편광이 일어난 강력한 세기의 X-Ray, DUV등의 전자기파를 생성할 수 있다.
마지막으로 Dipole Radation은 전자기파를 생성하는 가장 일반적인 방법이다. Electric dipole을 Oscillation 시키면 in-phase로 움직이므로 그 주기에 따라 전자기파가 발생한다. 시간에 따라 의존하는 Electric dipole moment의 값을 $p_0 cos \omega t$ 로 둘 때, 생성되는 전기장과 그 Intensity는
$$ E = \frac{p_0 k^2 sin \theta cos(kr-\omega t) }{4\pi \epsilon_0 r} \ , \quad I(\theta) = \frac{p_0 ^2 \omega^4}{32\pi^2 c^3 \epsilon_0} \frac{sin^2\theta}{r^2} $$
이다. 위 식에 따라서, dipole 진동방향과 수직한 방향으로 가장 큰 세기의 전자기파가 진행하고, 진동 축 방향으로는 아무런 전자기파도 생성되지 않는다. Dipole radiation은 우리가 사는 세상에서 빛과 물질이 상호작용하는 데 기본이 된다.
고전적 전자기파 생성은 전자기파 에너지의 양자화를 설명할 수는 없다. Planck의 black body radiation의 경우, 양자역학적으로 설명해야만 한다. 그렇지만, 큰 원자량에서는 에너지 레벨이 촘촘히 있을 뿐 아니라 원자들 사이 energy level broadening이 발생하기 때문에 양자화된 에너지 상태가 나타나지 않게 된다. 따라서 근사적으로 에너지를 연속적으로 볼 수 있기 때문에, 거시적 관점에서는 위 세가지 radiation만으로도 충분하다.
