辐射第三章学习.pptx

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1、2023/3/301l只需考虑异类粒子间的碰撞，对同类粒子：第三章 韧致辐射第1页/共47页2023/3/302第三章 韧致辐射l离子可近似认为静止，其辐射可略。辐射主要由电子贡献。l电子和负离子碰撞辐射可略。因电子、负离子之间为库仑斥力，两粒子不可能靠得较近，故加速度较小。等离子体中韧致辐射主要由电子和近似静止的原子核碰撞所贡献第2页/共47页2023/3/3033.1 单一速度电子的韧致辐射l小角度散射近似：假定电子速度很大，其轨迹对直线的偏离可略（不必要，但可简化分析，并给出正确结果）。第3页/共47页2023/3/3043.1 单一速度电子的韧致辐射l电子沿双曲规道运动的大部分时间是轨

2、道近似直线的运动，仅在近心点附近获得较大的加速度，并引起辐射。这一段加速的时间（碰撞时间）：第4页/共47页2023/3/3053.1 单一速度电子的韧致辐射第5页/共47页2023/3/3063.1 单一速度电子的韧致辐射l偶极辐射在单位频率间隔的辐射能量：l由于路径近似直线，所以速度的改变，主要为垂直于路径的速度分量。第6页/共47页2023/3/3073.1 单一速度电子的韧致辐射l介质中，离子的数密度 ，电子的数密度 ，以 运动。单位体积中、单位时间内以 的碰撞数：第7页/共47页2023/3/3083.1 单一速度电子的韧致辐射l 的确定：因要使 ，才能使 ，第8页/共47页2023

3、/3/3093.1 单一速度电子的韧致辐射l 的确定：小角度散射近似，当 时破坏：测不准关系：对一动量为 的电子，第9页/共47页2023/3/30103.1 单一速度电子的韧致辐射当 时，经典观念失效，瞄准距离失去意义，第10页/共47页2023/3/30113.1 单一速度电子的韧致辐射当 时，散射过程的经典描述有效，第11页/共47页2023/3/30123.1 单一速度电子的韧致辐射当 时，测不准原理起重要作用。经典计算严格上不能使用。然而正确的结果与经典描述中令 所得的结果量级上没多大差别。对任何情况，准确的结果可以经典的结果加一修正因子（Gaunt因子）表达。第12页/共47页20

4、23/3/30133.1 单一速度电子的韧致辐射Bethe（1930）给出Gaunt 因子以下公式：经典量子小角度大角度第13页/共47页2023/3/30143.2 热韧致辐射热平衡下电子的速度分布：由单一速度电子的谱发射率公式，对所有速度电子的贡献求和，即可得热韧致辐射的谱分布：第14页/共47页2023/3/30153.2 热韧致辐射 的近似解析表达如下图：第15页/共47页2023/3/30163.2 热韧致辐射 (Novikov，I.D.and Throne,K.S.,1973)第16页/共47页2023/3/30173.2 热韧致辐射冈特因子 数值计算结果第17页/共47页2023

5、/3/30183.2 热韧致辐射因对高频端 ，谱发射指数衰减，故 不重要，可取 从谱发射率公式可看出：和温度关系密切，主要体现在指数因子中谱形特点：对 ，故谱很平。（平谱）对 第18页/共47页2023/3/30193.2 热韧致辐射第19页/共47页2023/3/3020对频率积分，可得韧致辐射的总功率（冷却函数）：3.2 热韧致辐射第20页/共47页2023/3/30213.2 热韧致辐射Karzas&Latter,第21页/共47页2023/3/30223.2 热韧致辐射对e-e韧致辐射（在偶极近似下为0）第22页/共47页2023/3/30233.3 热韧致吸收 当电子与离子碰撞，不仅

6、可能发射光子，也有可能吸收光子，同时电子从动能较低的自由态跃迁到动能较高的自由态，称韧致吸收或自由-自由吸收。第23页/共47页2023/3/30243.3 热韧致吸收第24页/共47页2023/3/30253.3 热韧致吸收对光学厚的天体，如恒星，光子的分布接近于Planck分布。当处理恒星结构问题时，不必计算每一频率处的吸收，而是对Planck分布作加权平均(Rosseland平均）。结果相当于在吸收系数中 以Planck分布中典型光子能量 替代。第25页/共47页2023/3/30263.3 热韧致吸收第26页/共47页2023/3/30273.4 相对论电子的韧致辐射前面所讨论的为非相

7、对论电子的韧致辐射（偶极近似），对相对论电子，考虑相对论修正。实验室系（离子静止）中电子处场：由电磁场变换，电子静止系中电子处场：第27页/共47页2023/3/30283.4 相对论电子的韧致辐射由洛伦兹变换：第28页/共47页2023/3/30293.4 相对论电子的韧致辐射即在电子静止系中，只有在 ，电子处场较强，即相对论运动离子的场集中于垂直于运动速度方向小角锥 中，电子相对于接收到一脉冲场：修正的贝塞尔函数第29页/共47页2023/3/30303.4 相对论电子的韧致辐射相对论电子的韧致辐射，在电子静止系中，相当于电子对离子脉冲场的Compton散射。电子静止系中，低频 （不考虑散

8、射截面的Klein-Nishima修正，Thomson散射）：变回实验室系：第30页/共47页2023/3/30313.4 相对论电子的韧致辐射则在离子密度 、电子密度 ，单位时间、单位体积发射的单色能量：对高频端，散射截面需考虑量子修正。电子热动平衡速度分布，频率积分（CGS制，Novikov&Thorne，1973）第31页/共47页2023/3/30321.1.HH区区中心源能够发射足够多的短波光子，如早型星、行星状星云、AGN等，光致电离周围星云中的氢，产生H区。星云通过光致电离输入的能量（加热）与星云辐射过程（复合辐射、韧致辐射）（冷却）平衡。3.5 3.5 实例研究实例研究第32页

9、/共47页2023/3/30333.5 实例研究第33页/共47页2023/3/3034假定：背景辐射弱，且f-f辐射源函数为常量 （即T均匀），则由辐射转移方程：3.5 实例研究第34页/共47页2023/3/3035典型星云 ，低频近似 对 或 ，误差小于10%。对氢，Guant因子为：写成幂律形式：3.5 实例研究第35页/共47页2023/3/30363.5 实例研究故在 附近：第36页/共47页2023/3/3037物理参量的估算：3.5 实例研究l温度：光厚下，l电子密度：假定Z=1，在高频端，由实测流量可得：l电离氢的质量：l激发参量：l发射量度：第37页/共47页2023/3/

10、30382.星系团中心的冷流星系团中气体的温度 ，所以韧致辐射产生X射线的发射。极低的气体密度，所以韧致光薄。从光谱的拐点可估算电子温度 。X射线的流量：3.5 实例研究第38页/共47页2023/3/3039假定引力势：X射线的总光度：在星系团中心，观测到大量的高温气体。假定气体处流体静力学平衡：星系团气体产生S-Z效应：结合SZ效应与X射线数据，可得 及在视线上的深度。若假定它等于横向距离，可得Hubble 常数。3.5 实例研究第39页/共47页2023/3/3040由观测的韧致辐射X射线的强度分布，可得星系团内物质的温度分布，原则上足以重建星系团密度轮廓。气体冷却率 物质冷却流进引力势

11、（冷流）3.5 实例研究第40页/共47页2023/3/30413.5 实例研究第41页/共47页2023/3/30423.5 实例研究第42页/共47页2023/3/30433.恒星的电离星风假定星风速度为常量在此情况下，光深 为垂直视向上与恒星的距离 的函数。须对沿视线方向距离 积分。星风的流量：3.5 实例研究第43页/共47页2023/3/3044 对星风辐射谱的完全的分析可获得恒星质量损失率的定量计算。3.5 实例研究第44页/共47页2023/3/30453.5 实例研究第45页/共47页2023/3/3046Summary带电粒子间碰撞时（通常为电子和离子间）所产生的辐射发射体处热动平衡非偏振辐射例：H区；星系团的X射线辐射；电离星风的辐射。3.5 实例研究第46页/共47页2023/3/30天体物理中的辐射过程47感谢您的观看！第47页/共47页