天体物理05 辐射机制

相对论性电子的辐射与低速情形有明显区别，所 以被看成一类新的辐射，称为同步辐射。 （因为这类辐射最早发现于同步加速器的实验中）
辐射功率
回旋辐射 单个电子的辐射功率为 同步辐射
P 1.6 1015 2 2 B2 sin 2 (erg / s)
2 其中： 1 / 1
有这样一种看法：
同步辐射是射电波段的主要辐射机制，而逆康普 顿散射则是高能光子的重要辐射机制。
其他非热辐射简介
（1）逆康普顿散射
（2）轫致辐射
自由运动的电子受离子库仑场的作用加速而产生的 辐射。 因在辐射前后电子均处于自由态,轫致辐射又被称 为“自由—自由” 跃迁。
对于磁场很弱的等离子体来说，与回旋辐射 和同步辐射比较，轫致辐射显得相对重要， 它是等离子体冷却的主要因素。
P 1.6 10 B sin (erg / s)
15 2 2 2
其中： v / c
如果电子运动为各项同性 分布，将P对方向做平均 后可得到每个电子的平均 的辐射功率为
P 1.11015 2 2 B2 (erg / s)
天体物理中，同步辐射比回旋辐 射重要的多。 原因： a)极端相对论电子在许多重要天 体物理过程中都普遍存在。 b)同步辐射功率比回旋辐射高的 2 倍） 多（
这颗客星很特别，天亮的时候，客星的光芒非但没有减退， 反而继续增亮，“芒角四射，犹如太白金星”。 这颗客星真是不速之客，来了就不想走了。 “昼见如太白” “凡见二十三日”。23天里，白天都可以看到。
643天后，这颗客星才消失看不到了。在这近两年的时间里， 司天监人员对它进行了详细的观测，记录了客星的位置、颜 色和亮度变化。这些详细资料虽然大部分已经遗失，但仅从 流传下来的记载，已经使后人敬佩不已了。
由非相对论性低能电子发射的辐射，叫回旋辐射。
由相对论性高能电子发射的辐射，叫同步辐射。
回旋辐射和同步辐射示意图
非相对论性低能电子——回旋辐射。
相对论性高能电子发射——同步辐射。
当做回旋运动的电子的速度增加时， 狭义相对论 效应逐渐明显。 这表现在破坏了辐射的各向同性，且辐射谱也从 线性谱过渡为连续谱。
其他非热辐射简介
（1）逆康普顿散射
自由电子与光子的碰撞称为Compton过程。自由 电子远小于光子能量的Compton过程称为康普顿 散射；反之，电子动能远大于光子能量的 Compton过程称为逆康普顿散射。
康普顿散射使得光子失去能量、电子获得动能； 逆康普顿散射则使得极端相对论电子失去能量， 而光子获得能量。
能量转移
• 天体一般不是恒温系统，必然存在着能量转移过程 （即能量传递过程）。 • 主要有三种传能机制：对流传能、热传导、辐射传能。
ａ）辐射传能和热传导 都是在温度梯度不是很大的情况下起作用。 引起能量传递的原因都是因为高温区高速粒子的数目比低温区 的多，高温区的高速粒子有可能通过自由行走的方式将能量传递到 低温区。通过电子的扩散来传能称为热传导，通过光子的扩散来传 能称为辐射传能。 因为光子与物质相互作用比电子弱，辐射传能一般比热传导有 效。所以，在天体物理中主要考虑辐射传能，可将热传导忽略。 ｂ）对流传能 在温度梯度足够大时，构成天体的介质将发生大规模的集体运 动，从而把能量从高温区传递到低温区，这就是对流传能过程。
吸收本领：物体在进行热辐射的同时也必定吸收从周围物体辐射
过来的能量。通常用吸收本领来描述物体吸收辐射能力的大小。实 际物体不可能全部吸收外来辐射的能量，总会有部分能量被反射。
Kirchhoff定律：
可定义单色吸收系数来描述吸收本领： r ( , T ) ( , T ) 1 ( , T )
辐射机制对天体物理的重要性
黑体辐射
回旋辐射 产生这些辐射的机制各 是什么？ 辐射的特征（辐射功率、 辐射谱等）各是什么？
同步辐射
曲率辐射 逆康普顿散射
轫致辐射
切连科夫辐射 其他
天体物理要做的事： 通过我们观测到的辐射反推 天体的物理状态。
辐射机制 应用举例：
蟹状星云
宋仁宗至和元年五月巳丑（公元1054年7月4日），大约寅时 （早上4点）左右，天关星（在金牛座）刚刚露出东方地平 线，司天监的观测人员突然在天关星附近发现了一颗客星 （古代对天空突然出现的亮星的统称）！
蟹状星云 距离6300光年， 张角420” ×288”， 可以求得它的实际 大小为： 8.8光年×12.8光年
蟹状星云的纤维结构
这些纤维结构实际上是气体比较密集的部分。 通过光谱分析，可以求出这些气体的电子密度大约是每 立方厘米1000个。所有纤维的质量加在一起，大概有0.6— 3.0个太阳质量。 纤维之间广大的空间里，物质密度极其稀薄，总质 量加在一起才只有0.0001个地球质量，完全可以忽略。
能量转移方程
辐射传能
dT (r ) 3 (r ) L(r ) dr 16ac r 2T (r )3
对流传能
dT (r ) ＝F (T , P, , r ) dr
碍粒子输运的能力。
c a 是辐射密度常数， 是光速 是不透明度，反映介质阻
是绝热指数，与化学组成
有关。
F (T , P, , r ) 具体形式涉及到 对流理论在数学上的复杂性， 很难给出。下式是一个很好的 近似式：
第五讲 辐射机制
重点：黑体辐射 非热辐射 能量转移方程
参考书： 《天体物理导论》 徐仁新 《天体辐射机制》 尤俊汉
大气辐射窗口
经过地球大气层的吸收， 电磁辐射只在三个频段能 够透射： 光学窗口， 红外窗口， 射电窗口。 波长大于30m：被地球电离层 反射。 波长小于300nm：在高层大气 被O3、N2 、O2及其他各种原 子吸收。 大部分红外光子:被大气中的 H2O 、 CO2吸收。
切连科夫辐射主要应用：探测高能宇宙线的性质。
对能量较低的宇宙线粒子，可直接利用核辐射探测器来测量； 对高能射线，因其与探测介质作用的效率比较低而不实用。 一种比较有效的探测方式是将整个地球大气层作为探测介质， 利用宇宙线与它作用的后果来反推高能宇宙线的成分。
高能宇宙线与大气原子 核作用产生次级粒子；若次 级粒子能量足够高，还能产 生新一代次级粒子。这种现 象是高能宇宙线探测的基础， 称为广延大气簇射，它的最 终产物包括核电粒子（如电 子）和中性粒子（如光子和 中子）。 除了通过测量末态次级 粒子的种类和数量外，另一 种研究高能宇宙线的方式就 是测量簇射产生的带电粒子 在大气层或水中产生的切连 科夫辐射。
热辐射： 处于热平衡的物体所产生的辐射。 非热辐射： 未处于热平衡的物体所产生的辐射。
如：磁场环境下运动电子的辐射—回旋辐射、 同步辐射等
热辐射的Kirchhoff定律
单色辐射通量 ( , T ) ：
单位频段、单位时间内流过单位面积的电磁能。
辐射本领：
描述物体热辐射能力大小的物理量，即单色发射通量 e ( , T )
蟹状星云的辐射机制
如果用黑体辐射来拟合蟹状星云的辐射光谱，得到它的 温度是50万度，这么高温度是让人难以置信的。 1953年，苏联天文学家史克洛夫斯基提出，蟹状星云的 电磁辐射是同步辐射产生的。他预言蟹状星云有磁场。 不出一年，他的预言被观测证实。 观测磁场用的是偏振方法。普通光的振动是各个方向均匀 的；但在磁场存在时，光会发生偏振，而且可以根据偏振的强 度确定磁场大小。 根据偏振程度，测出蟹状星云的平均磁场约是万分之一高 斯，这是地球表面平均磁场的1000分之一，但却是银河系星际 磁场的100倍。
c e
B
b）Wien位移定律 令 d ( , T ) / d 0 可得到单色能量密度 最高的光子所对应的 频率：
1
( , T ) ( , T )c / 4
a）Stefan-Boltzmann定律 辐射通量：
vmax 5.881010 T ( Hz)
c）辐射场的状态方程
单色反射通量 单色入射通量
热辐射的辐射本领与该物体的吸收本领之比 （即 e ( , T ) / ( , T ) ）是与构成物体的材料无关的。 谱吸收系数 ( , T ) 1 的物体称为黑体。 黑体发射的热辐射称为黑体辐射。
黑体辐射规律
单色能量密度（Planck公式）： 8h 3 1 ( , T ) h /( k T ) 3 单色辐射通量 （几何光学可以证明）：
其他非热辐射简介
（1）逆康普顿散射 （2）轫致辐射
（3）切连科夫辐射
真空中带电离子的匀速运动不产生辐射。但是，在 介质中，匀速运动的带电粒子在速度大于介质中的 光速时也能产生辐射。这种由“超光速”带电粒子 引起的辐射过程称为切连科夫辐射。它是1934年苏 联物理学家切连科夫首先在液体介质中发现的。
2
同步辐射 辐射谱为 2 3 e 2 L dP( ) F ( / C ) d c C (3 / 2) 3 0 其中：
F ( / C ) 是同步辐射的无量纲 谱函数
例： 0.1 的电子，其基频辐 射占全部辐射的90%以上。
几乎所有能量都集中于基频0
曲率辐射
曲率辐射： 相对论电子在强磁场中沿弯曲磁力线运动时产 生的辐射。 天体的磁力线一般都不是直线。由于磁场很强，任何横跨 磁力线的运动都不可能存在，带电粒子将沿着磁力线运动。 在磁场本身弯曲的情况下，相对论电子将获得法向加速度， 因而辐射电磁波。 由于电子瞬时运动情况与磁场中沿圆轨道运动的相对论电 子相似，故其辐射行为与同步加速辐射相似。 但是曲率辐射与同步辐射有本质的不同： 前者消耗的是电子平行磁场的动能，后者消耗的是 电子垂直磁场的动能。
P 1.11015 2 B2 (erg / s)
回旋辐射
辐射谱
辐射是分立谱,辐射频率为 S0 (S 1,2,3)。频率为S0 .
成分的辐射功率为
0 L / PS 1 / PS 2 1 ，实际上 因