第一讲辐射基本知识

1、天体物理中的辐射过程Radiative Processes in Astrophysics中学院大学2016年秋季课程天文台）授课教师：（中学院 Tel:64806325pTel:助教：课程信息 课程编号：031M1001H学分课时：360授课时间：每周二下午 第5、6、7节课 共20次课（2-20周每周一次，加一到两次课）授课地点：国科大雁栖湖校区教2-4232016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程2教学与考核（Format and Grading） 课堂讲授为主，讨论为辅，兼有少量小课题探讨与展示 课后作业要求：鼓励互相讨论，但答题必须独立完成 考核方式：期末综合成绩组成：期

2、末考试+平时作业后阶段的小课题展示2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程3教材和参考文献主教材：Radiative Processes in Astrophysics 作者：Rybicki,G.B. and Lightman,A.P. 出版社：John Wiley & Sons辅助教材：天体物理中的辐射机制作者：尤峻汉出版社：科学出版社其他参考书： Gabriele Ghisellini： Radiative Processes in High Energy Astrophysics (可下载/archive/astro-ph： 1202.5

3、949v1) F. H. Shu著： The Physics of Astrophysics:Volume I. Radiation2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程4教材书样2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程5授课主要内容 （Contents）辐射的基本概念及辐射转移辐射场基本理论运动电荷（带电粒子）的辐射轫致辐射回旋辐射、同步辐射逆康普顿散射多种辐射过程共存及其在天体物理中的应用等离子体效应复合辐射与复合线碰撞激发，辐射跃迁2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程6引言天文学（Astronomy）是研究宇宙空间天体（构造、性质和运行规律

4、）、宇宙的结构和演化的学科。 研究方法：通过观测天体发出的辐射，发现并测量它们的位置、探索它们的运动规律、研究它们的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律等等。辐射是人类认识、研究、探索天体至关重要的途径2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程7天体辐射的种类有电磁辐射（光子)，引力波辐射(引力子)，中微子辐射(中微子)和宇宙线辐射(高能粒子)。是人类认识宇宙的物理信息的载体引力波电磁波中微子本课程讲述天体中的电磁辐射，是最普遍、最容易探测的辐射2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程8星光与银河通过棱镜、光栅、狭缝等装置，电磁辐射可以分解为各个频率或波

5、长的辐射光谱。天文学家通过地面或空间望远镜对不同波段进行观测，从而获取天体内部的信息。2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程10电磁辐射谱2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程11电磁辐射谱：电磁辐射分解成光谱，对应各个频率、或波长、或能量、或温度相互关系为： E = hn = kT, ln = c其中h、k、c分别是普朗克常数、玻尔兹曼常数、光速The electromagnetic spectrum2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程12天文中常用的波段范围：射电（radio)、微波(microwave)、红外(infrared)、可见光(

6、visible)、紫外(ultraviolet)、X射线，射线2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程13太阳在不同辐射波段的图象2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程14草帽星系从各个波段看我们的宇宙WISE中学院大学2016年秋季16课程2016-9-6光谱特例：活动星系核在电磁波段的辐射能谱X射线XMM-Newton硬X射线Suzaku紫外Swi(/UVOT光学红外 WISEGeV -射线 Fermi活动星系核 1H 0324+34 射电Yao S.,. 201157, AJ从辐射所推断出的活动星系核内部的结构的天文图片可浏览Astronomy Pictur

7、e of the Day,2016-9-6中学院大学2016年秋季课程18总之展现在我们面前这个多彩的宇宙是通过观测各个波段的辐射描绘出的图像。如何从这些观测结果了解遥远的天体？首先我们需要知道物理上有哪些基本的辐射过程，其次我们需要了解辐射从产生传播到我们的观测仪器的过程中发生了那些变化，从而讲观测数据还原到天体的内禀辐射。只有掌握了这些基本理论，才可以利用观测来研究天体中的物理性质、化学组成、内部结构、能量来源及其演化规律等等。研究结果反过来亦对观测设备提出新的要求，为下一代望远镜的研制提出新的要求、新的科学目标。天文研究的特点：观测（辐射）理论假说模型观测（验证或否定现有理论）修正或建立

8、新的理论模型 达到认识宇宙的目的。2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程19天体物理中辐射的基本问题辐射是如何产生的？基本的辐射机制辐射在传播/输送过程中有哪些变化？辐射与介质之间的能量交换辐射转移2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程20第一章：辐射及辐射转移的基本知识要求 掌握：Rybicki & Lightman：Chapter 1 可以参看尤峻汉书天体中的辐射机制23章的部分内容参看G. Ghisellini讲义第一章2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程21天体物理中常用单位：高斯单位制2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生

9、课程222016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程23天体辐射的可观测量Radiation Observables 能流（Energy Flux） 方向（Direction） 频率（Frequency） 偏振（Polarization）与此相关的基本概念2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程24基本概念: 辐射光度光度（luminosity）L：单位时间内辐射的总能量。单位：尔格秒，ergs s-1 单色光度（monochromatic luminosity）： 给定频率处单位频率间隔内的光度 热光度（bolometric luminosity)：对所有频段积分得到

10、的光度2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程25基本概念：光线辐射传播的宏观描述：当我们所考虑的系统的尺度大于 辐射波长时，辐射在真空或均匀介质中以直线传播，称 为光线。辐射转移的理论大多建立在“光线”的基础上。从下图可以看出是合理的。2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程26基本概念：辐射流量如图，辐射场中任意位置的任意面元dA，在时间dt内通过该面元的辐射（光线）能量为dE，dEdAdt 。定义： 辐射流量辐射能流（energy flux F)，表示单位时间内通过单位面积的总能量， dEFdAdt单位：ergs s-1cm-2天体辐射流量的观测单色流量：单位

11、时间内通过单位面积、辐射在单位频率 间隔内的能量：dEFdAdtd2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程27基本概念：辐射强度与辐射压强，考虑辐射场中任意位置的任意面元dA，其法线方向为n，在时间dt内通过该面元、沿法线方向- n+dn范围的能量为dE，到立体角d、频率在n则dE= IdAdtddI称为辐射强度（Specific Intensity）I=dE/dAdtdd表示方向的时间内、穿过垂直于辐射面积、投射到立体角内的频率间隔内的能量：ergs s-1cm-2ster-1Hz-1天体辐射强度的观测In28对于任意给定面元dA，若有一强度为I的辐射光束从方向射出，则在时间d

12、t内通过该面元dA、传播到方向立体角d、频率在的能量为：n- n+dn范围nIndE=I cos dAdddt其中cos dA是垂直于光线方向的面元，是dA在垂直于方向的平面的投影，有效面积减少了。dA如果有多个方向的辐射光束穿过该面元dA，则需要对所有辐射求和。2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程29一般来说，辐射强度是辐射场中位置、方向、频率和时间的函数。若强度与位置、方向无关，辐射场是均匀(homogeneous)、各向同性(isotropic)的。对来自所有方向的辐射强度求和（积分），就得到时间dt 内通过面元dA、频率在 n- n+dn范围，辐射到所有方向的能量和d

13、E=I cos dAdtdd FdAdtd F=Icosd，微分形式： F()d=Icosd其中F称为辐射净流量或流量(net flux): 代表单位时间、单位频率间隔通过单位截面的辐射净流量对于球坐标，面元法线方向为z轴，则有：dsindd 2ppFn = dj 0 In (q,j )cosq sinqdq02016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程30上述单色流量（F）和单色强度(I)对频率积分后得到全波段 的辐射流量和辐射强度，类似的，有dE= FdAdt=I cosddAdt F=Icosd动量流：单位时间内通过单位面积、频率在 n- n+dn范围的、面元dA法线方向上的辐

14、射动量。辐射压即产生的压强动量流（可从牛顿第二定律导出) 动量E/c for photons 沿光线方向,动量流能量流/c,面元法线方向dP=dFcos/c= 1I cos2 q dW = 1又 dF =I cosd 2ppcos2 q sinqdqPdjInnncc00注意入射光波既然能产生压力，就说明没有穿透，被反射了，平面镜反射原理给出反射贡献和入射一样多的动量，所以有一个2倍因子，但积分立体角只有2而非4了。所 以最后的结果是一样的= 2c2pp /2cos2 q sinqdqPdjInn002016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程31辐射场的能量密度(energy de

15、nsity)un （specific energy density ）：单位体积内单位频率间隔内的辐射能量; un()表示单位体积内、单位频率间隔内、辐射方向沿方向、单位立体角内的辐射能量dE= u ( W )dWdVdnnnConsider a cylinder about a ray of length cdt, the volume of the cylinder is dAcdtdE= u ( W )dAcdtdWdnnnRadiation travels at velocity c, so that in time dtall the radiation in the cylinde

16、r will pass out of it:dWdAdl=cdtdE= I ( W )dAdtdWdnnn2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程32u ( W ) = I ( W ) / cnnIntegrating over all solid angles we have1u = u (W)dW = I (W)dWnnncIntegrating over all frequencies we haveu = 1 I (W)dWcFor isotropic radiation field we have= 4p Iunncu为辐射场的总能量密度（单位：ergs cm-3)，I

17、为辐射强度(ergs s-1cm-2ster-1)，亦称表面亮度（surface brightness）2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程33u = 4p Ic类似地，将单位频率间隔内的流量和压强对频率积分，得到总的辐射流量和辐射压强(即辐射动量流)F = Fndnp =p d nnF的单位：ergs s1cm2p的单位：dynes cm2P = 1 I cos2 q dW = 4pI各向同性辐射场内:c3c所以光度是辐射流量对所有面元的积分L = FdA2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程34P = u3天体物理中的应用各向同性源的辐射流量各向同性辐射：

18、辐射源在各个方向的辐射能量相同平方反比律：各向同性辐射源（如星球）在距离r处辐射流量为F(r) =L24p r同一辐射源光度不随时间变化平方反比律：2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程35F(r) = constantr2天体物理中的应用从星体的辐射强度求任意处的流量一个半径为R的星球产生各向同性辐射，在其表面的辐射强度为I，p点的观测者与星球的距离为r，求观测者接收到的辐射流量F在星球表面,rR F=I在RR时，F IDW2016-9-6中国科学院大学2016年秋季研究生课程37天体物理中的应用从光度L求场能密度u如图，半径为R的球产生各向同性辐射，辐射光度为L, 求球内与球外的辐射场能量密度Ghisellini， astro-ph/1202.594920