天体物理学课件03辐射简介

第二章辐射--认识的窗口

§2.1天体物理过程的信息载体§2.2热辐射，黑体辐射与线谱§2.3典型的非热辐射---荷电粒子加速运动§2.4康普顿散射与逆康普顿散射§2.5韧致辐射§2.6切连科夫辐射§2.7传能与传能方程简介§2.1天体物理过程的信息载体人们获得天体信息的渠道主要有四种：

电磁辐射宇宙线中微子引力波

电磁辐射是其中最为重要的一种。

Homestake金矿中微子实验室电磁辐射是以变化的电磁场传递能量、具有特定波长和强度的波（波动性）。

波长范围：＜0.01Å–30m 1Ångstrom=10-10m (波长λ)×(频率ν)＝光速c=3×1010cms-1根据波长由长到短，电磁辐射可以分为射电、红外、光学、紫外、X射线和γ射线等波段，可见光又可分解为七色光。

电磁辐射由光子构成（粒子性）

光子的能量与频率（或颜色）有关：频率越高（低），能量越高（低）。

E=hν,

其中Planck常数h=6.63×10-27ergs-1

PlanckEinstein大气辐射窗口

地球大气阻挡了来自空间的电磁辐射的大部分，仅在射电和光学部分波段较为透明。

不透明度§2.2热辐射，黑体辐射与线谱热辐射：处于热平衡的物体所产生的辐射，这里我们仅局限于电磁辐射。热辐射还可以包括中微子、正反电子对等，热辐射的粒子需满足mc2<kB

T.基尔霍夫定律：热辐射物体的谱发射通量与该物体的谱吸收系数之比是与构成物体的材料无关的。非热辐射：比如磁场环境下非热高能电子辐射：回旋辐射、同步辐射。黑体(blackbody)

能吸收所有的外来辐射（无反射）并全部再辐射的理想天体。

黑体辐射

具有特定温度的黑体的热辐射。 大部分正常恒星的辐射可以近似地用黑体辐射来表示。不同温度黑体的辐射谱Stefan-Boltzmann定律

单位面积黑体辐射的能量F＝σT4

其中Stefan-Boltzmann常数

σ＝5.67×10-5ergcm-2s-1K-4

Wien定律

黑体辐射最强处的波长λmax与温度之间的关系为

λmax

T＝0.29(cmK)

高温黑体主要辐射短波，低温黑体主要辐射长波。

不同辐射波段的太阳光学紫外X射线射电不同辐射波段的银河系不同波段的旋涡星系M81光学中红外远红外

X射线紫外射电不同温度天体的辐射OmegaCentauriSunAdim,youngstar(shownhereinred)nearthecenteroftheOrionNebulaRhoOphiuchiPlanck定律 温度为T的单位面积黑体，在单位时间、单位频率内、向单位立体角发射的能量为平方反比定律

单位面积接收到的辐射强度

F与光源距离d的平方成反比

F∝d-2辐射场状态方程：P(T)=ρ(T)/3电磁波谱

Kirchoff定律

热的、致密的固体、液体和气体产生连续谱； 热的、稀薄的气体产生发射线； 连续辐射通过冷的、稀薄的气体后产生吸收线。

恒星形成区M17中的热气体辐射谱太阳光谱吸收线的产生过程谱线与恒星的化学成分

不同元素的原子具有不同的结构，因而有不同的特征谱线。通过比较太阳光谱和实验室中各种元素的谱线，可以确定太阳大气的化学成分。按质量计，70%H,28%He和2%重元素。按数目计，90.8%H,9.1%He和0.1%重元素。§2.3§2.4回旋辐射、同步辐射及曲率辐射回旋辐射同步辐射蟹状星云的辐射特征就是同步辐射谱。同步辐射的寿命问题。蟹状星云脉冲星作为引擎。前面我们介绍电荷运动时，采用经典的电动力学理论。但我们知道这些电荷遵从的应该是量子力学规律，经典理论只是一种近似。但电荷的运动尺度远远大于该电荷的物质波的波长时，经典理论才是足够精确的。那么，啥时候我们该采用量子理论呢？电荷在磁场中的运动尺度可由其回旋半径标志，因此当磁场大于以上临界值时，我们必须采用量子理论。朗道能级电荷e在磁场中的非相对论哈密顿量可表达为矢势可取为解薛定谔方程可得由于在天体问题中，电荷通常作高速运动，电荷的运动通常需要考虑相对论的哈密顿量。电荷e在磁场中的相对论哈密顿量可表达为得本征值为曲率辐射

强磁场中的电子是处于朗道能级的基态还是激发态呢？从能级公式可看出，朗道能级的基态相当于电子沿磁场方向自由运动。从经典的观点看电子从激发态向基态的跃迁，实质上就是同步辐射。粒子垂直于磁场方向的动能的损失的快慢可由经典电动力学的结果来估算。当B>108G时，磁层尺度L>>106cm.(经典意义上)曲率辐射的相干性决定其辐射功率。康普顿散射与逆康普顿散射光子能量远小于电子静能的康普顿散射---汤普孙散射。计算方法？汤姆孙散射在天体物理（致密X射线发射天体）中的一个重要应用是计算辐射对物质产生的压力。作为一个例子，我们讨论定向辐射场中的氢原子的行为