¿El láser de electrones libres tiene realmente electrones libres?

Question

He leído esto:

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

Esto afirma que los electrones son libres.

Ahora hay un debate en este sitio sobre si un electrón verdaderamente libre en el vacío puede o no emitir un fotón.

El electrón acelerado libre (no ligado, es decir, no unido a un núcleo) no puede emitir/absorber un fotón real?

¿Puede un electrón "libre" acelerado absorber un fotón?

Basándome en las respuestas, creo que un electrón libre en el vacío no puede emitir un fotón. Tiene que haber un tercero en la ecuación, hacia el que el electrón se acelere relativamente.

Los electrones sólo pueden emitir un fotón cuando están :

1. o bien se vincula a un sistema atómico

2. o se están acelerando en un conductor metálico, pero estos electrones no están libres, sino que están ligeramente ligados a los átomos

Según el artículo de la wiki, esto no es cierto. Los láseres de electrones libres emiten fotones, y aquí se dice que los electrones son libres en el vacío. Así que no están ligados a ningún sistema atómico.

El haz de electrones debe mantenerse en el vacío, lo que requiere el uso de numerosas bombas de vacío a lo largo de la trayectoria del haz.

Pregunta:

1. Ahora bien, ¿cómo emiten estos electrones verdaderamente libres en el vacío los fotones del láser?

2. ¿son estos electrones en el láser de electrones libres lo mismo que los electrones acelerados en un conductor metálico? ¿Están ligados a los átomos? Pero no hay átomos en el vacío, así que ¿cómo están emitiendo fotones?

Answer 1

Estás mezclando diferentes usos de la palabra "libre" de manera que socava profundamente tu pregunta. Como tu pregunta no contiene una definición de referencia única de ese término, en última instancia no tiene respuesta.

Sin embargo, hay mucho que decir al respecto.

• Los electrones son libres en el sentido de que no hay nada más dentro de la cámara de vacío que los electrones.

• Sin embargo, los electrones no son "libres" en el sentido de los resultados con los que encuentras contradicciones, que requerirían que esos electrones "libres" se movieran en un movimiento rectilíneo uniforme perpetuo en ausencia de colisiones. Los electrones en un FEL no están en movimiento rectilíneo - están siendo impulsados por los imanes en el ondulador, por lo que están acelerando, y en el proceso emiten radiación de sincrotrón .

  No hay nada específico de los FEL en lo que respecta a su pregunta: se obtienen exactamente las mismas contradicciones aparentes si se considera la emisión de radiación en cualquier sincrotrón. Hay imanes que hacen que los electrones se aceleren, y en el proceso emiten radiación.

  Los resultados que has citado se basan en el hecho de que no se puede añadir un cuatro-vector nulo a un cuatro-momento temporal y obtener otro cuatro-momento temporal con la misma masa. (Esto es bastante técnico, pero es extremadamente importante. Si no comprendes plena y profundamente ese razonamiento, entonces todo lo demás aquí son sólo palabras en el vacío). Los electrones en el vacío no necesitan estar "ligados" para absorber o emitir fotones - sólo necesitan tener algún otro sistema, con un cuatro-momento similar al del tiempo, con el que intercambiar momento y energía. En el caso de los electrones de un sincrotrón o de un FEL, ese espacio lo ocupan los imanes del sincrotrón o del ondulador, respectivamente.