第一講輻射基本知識(shí)

1、天體物理中的輻射過(guò)程Radiative Processes in Astrophysics中學(xué)院大學(xué)2016年秋季課程天文臺(tái)）授課教師：（中學(xué)院 Tel:64806325pTel:助教：課程信息 課程編號(hào)：031M1001H學(xué)分課時(shí)：360授課時(shí)間：每周二下午 第5、6、7節(jié)課 共20次課（2-20周每周一次，加一到兩次課）授課地點(diǎn)：國(guó)科大雁棲湖校區(qū)教2-4232016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程2教學(xué)與考核（Format and Grading） 課堂講授為主，討論為輔，兼有少量小課題探討與展示 課后作業(yè)要求：鼓勵(lì)互相討論，但答題必須獨(dú)立完成 考核方式：期末綜合成績(jī)組成：期

2、末考試+平時(shí)作業(yè)后階段的小課題展示2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程3教材和參考文獻(xiàn)主教材：Radiative Processes in Astrophysics 作者：Rybicki,G.B. and Lightman,A.P. 出版社：John Wiley & Sons輔助教材：天體物理中的輻射機(jī)制作者：尤峻漢出版社：科學(xué)出版社其他參考書： Gabriele Ghisellini： Radiative Processes in High Energy Astrophysics (可下載/archive/astro-ph： 1202.5

3、949v1) F. H. Shu著： The Physics of Astrophysics:Volume I. Radiation2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程4教材書樣2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程5授課主要內(nèi)容 （Contents）輻射的基本概念及輻射轉(zhuǎn)移輻射場(chǎng)基本理論運(yùn)動(dòng)電荷（帶電粒子）的輻射軔致輻射回旋輻射、同步輻射逆康普頓散射多種輻射過(guò)程共存及其在天體物理中的應(yīng)用等離子體效應(yīng)復(fù)合輻射與復(fù)合線碰撞激發(fā)，輻射躍遷2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程6引言天文學(xué)（Astronomy）是研究宇宙空間天體（構(gòu)造、性質(zhì)和運(yùn)行規(guī)律

4、）、宇宙的結(jié)構(gòu)和演化的學(xué)科。 研究方法：通過(guò)觀測(cè)天體發(fā)出的輻射，發(fā)現(xiàn)并測(cè)量它們的位置、探索它們的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、研究它們的物理性質(zhì)、化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量來(lái)源及其演化規(guī)律等等。輻射是人類認(rèn)識(shí)、研究、探索天體至關(guān)重要的途徑2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程7天體輻射的種類有電磁輻射（光子)，引力波輻射(引力子)，中微子輻射(中微子)和宇宙線輻射(高能粒子)。是人類認(rèn)識(shí)宇宙的物理信息的載體引力波電磁波中微子本課程講述天體中的電磁輻射，是最普遍、最容易探測(cè)的輻射2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程8星光與銀河通過(guò)棱鏡、光柵、狹縫等裝置，電磁輻射可以分解為各個(gè)頻率或波

5、長(zhǎng)的輻射光譜。天文學(xué)家通過(guò)地面或空間望遠(yuǎn)鏡對(duì)不同波段進(jìn)行觀測(cè)，從而獲取天體內(nèi)部的信息。2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程10電磁輻射譜2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程11電磁輻射譜：電磁輻射分解成光譜，對(duì)應(yīng)各個(gè)頻率、或波長(zhǎng)、或能量、或溫度相互關(guān)系為： E = hn = kT, ln = c其中h、k、c分別是普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)、光速The electromagnetic spectrum2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程12天文中常用的波段范圍：射電（radio)、微波(microwave)、紅外(infrared)、可見光(

6、visible)、紫外(ultraviolet)、X射線，射線2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程13太陽(yáng)在不同輻射波段的圖象2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程14草帽星系從各個(gè)波段看我們的宇宙WISE中學(xué)院大學(xué)2016年秋季16課程2016-9-6光譜特例：活動(dòng)星系核在電磁波段的輻射能譜X射線XMM-Newton硬X射線Suzaku紫外Swi(/UVOT光學(xué)紅外 WISEGeV -射線 Fermi活動(dòng)星系核 1H 0324+34 射電Yao S.,. 201157, AJ從輻射所推斷出的活動(dòng)星系核內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的天文圖片可瀏覽Astronomy Pictur

7、e of the Day,2016-9-6中學(xué)院大學(xué)2016年秋季課程18總之展現(xiàn)在我們面前這個(gè)多彩的宇宙是通過(guò)觀測(cè)各個(gè)波段的輻射描繪出的圖像。如何從這些觀測(cè)結(jié)果了解遙遠(yuǎn)的天體？首先我們需要知道物理上有哪些基本的輻射過(guò)程，其次我們需要了解輻射從產(chǎn)生傳播到我們的觀測(cè)儀器的過(guò)程中發(fā)生了那些變化，從而講觀測(cè)數(shù)據(jù)還原到天體的內(nèi)稟輻射。只有掌握了這些基本理論，才可以利用觀測(cè)來(lái)研究天體中的物理性質(zhì)、化學(xué)組成、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、能量來(lái)源及其演化規(guī)律等等。研究結(jié)果反過(guò)來(lái)亦對(duì)觀測(cè)設(shè)備提出新的要求，為下一代望遠(yuǎn)鏡的研制提出新的要求、新的科學(xué)目標(biāo)。天文研究的特點(diǎn)：觀測(cè)（輻射）理論假說(shuō)模型觀測(cè)（驗(yàn)證或否定現(xiàn)有理論）修正或建立

8、新的理論模型 達(dá)到認(rèn)識(shí)宇宙的目的。2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程19天體物理中輻射的基本問(wèn)題輻射是如何產(chǎn)生的？基本的輻射機(jī)制輻射在傳播/輸送過(guò)程中有哪些變化？輻射與介質(zhì)之間的能量交換輻射轉(zhuǎn)移2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程20第一章：輻射及輻射轉(zhuǎn)移的基本知識(shí)要求 掌握：Rybicki & Lightman：Chapter 1 可以參看尤峻漢書天體中的輻射機(jī)制23章的部分內(nèi)容參看G. Ghisellini講義第一章2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程21天體物理中常用單位：高斯單位制2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生

9、課程222016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程23天體輻射的可觀測(cè)量Radiation Observables 能流（Energy Flux） 方向（Direction） 頻率（Frequency） 偏振（Polarization）與此相關(guān)的基本概念2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程24基本概念: 輻射光度光度（luminosity）L：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)輻射的總能量。單位：爾格秒，ergs s-1 單色光度（monochromatic luminosity）： 給定頻率處單位頻率間隔內(nèi)的光度 熱光度（bolometric luminosity)：對(duì)所有頻段積分得到

10、的光度2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程25基本概念：光線輻射傳播的宏觀描述：當(dāng)我們所考慮的系統(tǒng)的尺度大于 輻射波長(zhǎng)時(shí)，輻射在真空或均勻介質(zhì)中以直線傳播，稱 為光線。輻射轉(zhuǎn)移的理論大多建立在“光線”的基礎(chǔ)上。從下圖可以看出是合理的。2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程26基本概念：輻射流量如圖，輻射場(chǎng)中任意位置的任意面元dA，在時(shí)間dt內(nèi)通過(guò)該面元的輻射（光線）能量為dE，dEdAdt 。定義： 輻射流量輻射能流（energy flux F)，表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積的總能量， dEFdAdt單位：ergs s-1cm-2天體輻射流量的觀測(cè)單色流量：?jiǎn)挝?/p>

11、時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積、輻射在單位頻率 間隔內(nèi)的能量：dEFdAdtd2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程27基本概念：輻射強(qiáng)度與輻射壓強(qiáng)，考慮輻射場(chǎng)中任意位置的任意面元dA，其法線方向?yàn)閚，在時(shí)間dt內(nèi)通過(guò)該面元、沿法線方向- n+dn范圍的能量為dE，到立體角d、頻率在n則dE= IdAdtddI稱為輻射強(qiáng)度（Specific Intensity）I=dE/dAdtdd表示方向的時(shí)間內(nèi)、穿過(guò)垂直于輻射面積、投射到立體角內(nèi)的頻率間隔內(nèi)的能量：ergs s-1cm-2ster-1Hz-1天體輻射強(qiáng)度的觀測(cè)In28對(duì)于任意給定面元dA，若有一強(qiáng)度為I的輻射光束從方向射出，則在時(shí)間d

12、t內(nèi)通過(guò)該面元dA、傳播到方向立體角d、頻率在的能量為：n- n+dn范圍nIndE=I cos dAdddt其中cos dA是垂直于光線方向的面元，是dA在垂直于方向的平面的投影，有效面積減少了。dA如果有多個(gè)方向的輻射光束穿過(guò)該面元dA，則需要對(duì)所有輻射求和。2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程29一般來(lái)說(shuō)，輻射強(qiáng)度是輻射場(chǎng)中位置、方向、頻率和時(shí)間的函數(shù)。若強(qiáng)度與位置、方向無(wú)關(guān)，輻射場(chǎng)是均勻(homogeneous)、各向同性(isotropic)的。對(duì)來(lái)自所有方向的輻射強(qiáng)度求和（積分），就得到時(shí)間dt 內(nèi)通過(guò)面元dA、頻率在 n- n+dn范圍，輻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稱為輻射凈流量或流量(net flux): 代表單位時(shí)間、單位頻率間隔通過(guò)單位截面的輻射凈流量對(duì)于球坐標(biāo)，面元法線方向?yàn)閦軸，則有：dsindd 2ppFn = dj 0 In (q,j )cosq sinqdq02016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程30上述單色流量（F）和單色強(qiáng)度(I)對(duì)頻率積分后得到全波段 的輻射流量和輻射強(qiáng)度，類似的，有dE= FdAdt=I cosddAdt F=Icosd動(dòng)量流：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積、頻率在 n- n+dn范圍的、面元dA法線方向上的輻

14、射動(dòng)量。輻射壓即產(chǎn)生的壓強(qiáng)動(dòng)量流（可從牛頓第二定律導(dǎo)出) 動(dòng)量E/c for photons 沿光線方向,動(dòng)量流能量流/c,面元法線方向dP=dFcos/c= 1I cos2 q dW = 1又 dF =I cosd 2ppcos2 q sinqdqPdjInnncc00注意入射光波既然能產(chǎn)生壓力，就說(shuō)明沒有穿透，被反射了，平面鏡反射原理給出反射貢獻(xiàn)和入射一樣多的動(dòng)量，所以有一個(gè)2倍因子，但積分立體角只有2而非4了。所 以最后的結(jié)果是一樣的= 2c2pp /2cos2 q sinqdqPdjInn002016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程31輻射場(chǎng)的能量密度(energy de

15、nsity)un （specific energy density ）：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)單位頻率間隔內(nèi)的輻射能量; un()表示單位體積內(nèi)、單位頻率間隔內(nèi)、輻射方向沿方向、單位立體角內(nèi)的輻射能量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中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程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為輻射場(chǎng)的總能量密度（單位：ergs cm-3)，I

17、為輻射強(qiáng)度(ergs s-1cm-2ster-1)，亦稱表面亮度（surface brightness）2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程33u = 4p Ic類似地，將單位頻率間隔內(nèi)的流量和壓強(qiáng)對(duì)頻率積分，得到總的輻射流量和輻射壓強(qiáng)(即輻射動(dòng)量流)F = Fndnp =p d nnF的單位：ergs s1cm2p的單位：dynes cm2P = 1 I cos2 q dW = 4pI各向同性輻射場(chǎng)內(nèi):c3c所以光度是輻射流量對(duì)所有面元的積分L = FdA2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程34P = u3天體物理中的應(yīng)用各向同性源的輻射流量各向同性輻射：

18、輻射源在各個(gè)方向的輻射能量相同平方反比律：各向同性輻射源（如星球）在距離r處輻射流量為F(r) =L24p r同一輻射源光度不隨時(shí)間變化平方反比律：2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程35F(r) = constantr2天體物理中的應(yīng)用從星體的輻射強(qiáng)度求任意處的流量一個(gè)半徑為R的星球產(chǎn)生各向同性輻射，在其表面的輻射強(qiáng)度為I，p點(diǎn)的觀測(cè)者與星球的距離為r，求觀測(cè)者接收到的輻射流量F在星球表面,rR F=I在RR時(shí)，F(xiàn) IDW2016-9-6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)2016年秋季研究生課程37天體物理中的應(yīng)用從光度L求場(chǎng)能密度u如圖，半徑為R的球產(chǎn)生各向同性輻射，輻射光度為L(zhǎng), 求球內(nèi)與球外的輻射場(chǎng)能量密度Ghisellini， astro-ph/1202.594920