天体物理05 辐射机制

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：
4
B(T ) ( , T )d T
0

P(T ) 1 / 3 (T )
维恩位移定律
非热辐射
• • • •
回旋辐射 同步辐射 曲率辐射 其他非热辐射
回旋辐射和同步辐射
当带电粒子（通常是 电子）垂直注入均匀 的磁场，绕磁力线作 圆周运动时；即使粒 子的速率恒定,它也具 有向心加速度，从而 产生电磁辐射。
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（
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。
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
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。
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。
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 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。
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。
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。
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）：
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
2百度文库
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。
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）！
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。
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
2e 2L ( S 1) S 2 S 1 2 S PS c (2S 1)! eB 其中： L mc
不透明度的计算涉及很多微 观输运过程，与介质的温度、密 度以及化学组成有关，很难有解 析表达式。 在实际数值计算中，往往将 已经计算出的不透明度表转储到 计算机中，用插值法得到所需要 的特定温度、密度、化学组成的 不透明度数据。
1 T (r ) dP(r ) F P(r ) dr
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。
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 )
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。