星星乐团的各种乐器

——体的几种辐射机制

热辐射和连续光谱

物质燃烧发出耀眼的光，这可算是人所周知的事实。一块铁在常温下不发光。但若对它加热，使其温度不断上升，开始会使人感到灼热，即有红外辐射，温度再升高，黑色的铁块变暗红，然后变红、橙、黄，最后发出白光。在更高温度下，如在电焊过程中，甚至发出耀眼的青白色光芒并带有强烈的紫外线，如果不加防护甚至会伤害人的眼睛和身体。这种随温度升高而增强的辐射称热辐射。热辐射所发出的光子具有各种各样的波长。通过光谱仪可看到由多种颜色构成的一条连续的彩带。形成连续光谱。物理理论中，用一个能全部吸收掉射在其面上的辐射而不放出能量的物体，简称黑体的模型来描述热辐射。因此，热辐射也常称为黑体辐射。

19 世纪末，大多数物理学家都相信，对自然的最终描述已经完成，所剩的只是些枝节问题。这种信念的依据就是牛顿力学，牛顿的万有引力理论和麦克斯韦电动力学在描述和预言宏观体系时所取得的惊人的和一贯的成就。这里所指的宏观体系的大小，是指从地面的实验室一直到整个宇宙。然而，一旦实验和探测技术发展到研究高速运动和原子尺度的水平时，就出现了很

多困难。这些困难单靠经典物理学的定律甚至经典物理观念是解决不了问题的。正是相对论和量子力学提供了所必需的新定律和新概念。

困难之一就是当用优美而普遍的经典能量均分定理进行某些预言时所遇到的困难。直接利用这个定理就给出了错误的甚至荒谬的黑体辐射谱，而且对物质体系的比热也给出错误的结果。在两种情况下，经验的结论都暗示着，只有某些自由度完全参与导致统计平衡的能量交换，而其他自由度则很少参与，甚至不参与能量交换。

其次，在解释原于结构时遇到了困难，然而原子结构无疑是真实存在的。但按经典物理，这样的体系是不可能达到平衡的。按经典理论，一个电子在原子核的吸引下可以得到一个精确的运动轨道，然而沿轨道运动的电子的加速度会使电子产生辐射，而辐射带来的能量损失将使电子轨道迅速坍缩至消失。因此，按经典理论，原子无法产生稳定的辐射。即便在作某些假设下能使原子在经典意义下维持某种结构，但也不能解释当时已观测到的原子光谱所满足的里兹并合定则。

光电效应，是经典理论更为棘手的困难，即当电子从被光照射的表面上逸出时，仅所发射的电于数目正比于入射光的强度，而单个光电子的能量与光的强度无关。这个能量反而由入射光的频率确定。这个事实从经典物理体系根本无法理解。

1900 年 12 月 14 日普朗克以《正常光谱中能量分布的理论》为题，大胆地提出了能量子的概念，才使上述一系列困难，开始迎刃而解了。1905 年爱因斯坦发表了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。此论文是辐射量子论的开端，文中明确提出了光电效应的基本定律。但首先反对爱因斯坦这个理论的竟是提出量子概念的普朗克本人。直到 1909 年普朗克还告诫自己和别人说：“在将作用量子 h 引入理论时，应尽可能保守从事；这就是说，除非业已表明绝对必要，否则不要改变现有理论。”直到 1915 年，波尔根据普朗克的量子理论提出了一个新的原子模型，并成功地解释了原子结构和原子辐射光谱，普朗克本人才结束了他几度想把他的新理论纳入经典物理框架中的想法。而爱因斯坦的这篇论文获得了 1921 年的诺贝尔物理学奖。

按量子理论，如果辐射源处于热动平衡或局部热动平衡态，即系统内部的粒子的能量分布可以用一定温度下的玻耳兹曼分布律表示。而粒子具有一定的能量后，即处于与其能量相应的一定激发态，好像乐器的弦都张紧了，不同的能量使弦具有不同的张紧程度。一旦受到打击便发出不同频率的声音。而粒子由不同量子化的激发态向更低能态或基态的跃迁就发出相应频率的电磁波辐射。不同的原子有不同的激发态也就有相应的不同谱线系。一些分子的激发态间的跃迁也发出相应的分子谱线。

热辐射有三个明显的特点：一是辐射强度随温度升高而迅速增长，再有是辐射的波长范围很宽，可以说是天体乐器中的钢琴，另外一个特点就是温度越高辐射最强部分的波长越短。不知诸君是否还记得前面介绍过的天体的色温度，正是基于这点才可能用不同颜色的光度比来表示天体的表面温度。大多数恒星都有极高的温度，并处于动态的局部热平衡，因此都以黑体

辐射形式将其中心通过热核聚变产生的能量向宇宙太空辐射。9.回旋辐射和同步辐射

一般说来，带电粒子受到加速（或减速）就会产生电磁波辐射。

我们知道，带电粒子在磁场中受到罗仑兹力将沿圆轨道或螺旋轨道运

动。它是一种具有向心加速度的加速运动。因此这时带电粒子也会产生电磁波辐射。当带电粒子运动远小于光速时，粒子的质量视为常数，理论计算表明，其回旋频率也是个常数，此时粒子的辐射称回旋辐射。而当速度接近光速时，其质量随速度的增加而增加，因此回旋频率降低，此时粒子所产生的辐射称同步辐射。由于天体中，某些确存在有强磁场，回旋辐射就成了不容忽视的重要辐射机制。

回旋辐射的特点是：辐射功率小于同步辐射，再有其辐射单色性强，辐射具有线状谱且具有偏振特性。这种辐射机制可以用来说明太阳耀斑，白矮星的光学辐射以及中子星的 x 射线的线状发射等。

同步辐射的特点是：辐射功率强，方向性强，只能在一个窄小角锥内观测到辐射，而辐射具有连续谱并有显著的偏振。粒子在作螺旋轨道运动时，辐射是椭圆偏振的。

射电星系，一般星系和超新星遗迹的射电辐射及太阳的射电辐射均存在有同步辐射。在蟹状星云，某些射电星系和类星体中，还可观测到可见光和x 射线的同步辐射。

曲率辐射

高能带电粒子在强磁场中只能沿磁力线方向运动。因为磁力线的弯曲而产生的电磁辐射称为曲率辐射。由于磁场很强，任何横越磁力线的运动实际上不可能存在。电子只能沿磁力线运动。在强磁场中磁力线本身是很弯曲的，因此，沿磁力线运动的相对论电子将获得法向加速度，从而产生辐射。这种辐射机制可用以说明脉冲星，类星体等高能天体的辐射现象。这种电磁辐射的特征很像同步辐射。二者的区别是同步辐射的情况带电粒子是在垂直于磁力线的方向弯曲，而曲率辐射是沿着弯曲的磁力线作曲线运动。

曲率辐射中，有一种特别引人感兴趣的过程称“相干曲率辐射”。它是指一个由 N 个粒子组成的辐射源，其源的总辐射强度超过了单个粒子辐射强度的和的现象。此时，称这 N 个粒子的辐射是相干的，而该源则称为相干辐射源。曲率辐射的这种相干性往往可能使总辐射达到非常大的强度。所以，天文学家对其格外重视。例如，蟹状星云，其 x 射线和光学波段的辐射亮温度仅为 106 开，而射电辐射的亮温度竟可达 1024～25 开，天文学家就愿意用相干辐射机制来解释。

按照广义相对论，由于物质的存在使时空发生弯曲，而时空曲率描述了引力场的特性。因此任何物质在引力场中也沿弯曲的时空轨道运动。当然，所谓时空弯曲轨道在三维的空间轨道可能是直线但确有加速度，因此也会产生辐射，如果我们也把它称为“曲率辐射”，那么带电粒子在强引力场附近也会产生“曲率辐射”。一般电磁场对带电粒子的加速除取决于电磁场强度外，主要决定于电子的荷质比。因此，只有电子最易产生辐射，而其他带电粒于，由于具有数干倍于电子的质量，故即便产生辐射其能量也微不足道。而引力场对粒子产生的加速度与其质量无关。因此研究强引力场附近的“曲率辐射”或许是一个十分有趣的课题。它是否能对黑洞的观测提供重要线索呢！在壮丽多彩的天体乐曲中有来自这种乐器的旋律吗？这有待天文学家进一步分析和研究。

康普顿辐射——逆康普顿散射

按照经典物理学观念，当接近光速运动的相对论电子和辐射场中的光子碰撞时，也会获得加速度，从而引起辐射，这种辐射称为康普顿辐射，也称

逆康普顿散射。这一过程在天体物理学的辐射过程中也起着重要作用。如果说同步辐射是射电天文学中的基本过程，那么 X 射线和γ射线波段的乐曲大多来自康普顿辐射机制，它也是相对论电子在辐射场中穿行时损失能量的一种机制。

在康普顿散射机制中，高能光子（如γ射线光子）与近似视为静止的低速电子相碰撞，结果使光子减少了能量，电子得到这部分能量而被加速；而逆康普顿散射中，入射光子的能量显著地小于相对论电子的能量，即这时将发生低能量光子和相对论电子碰撞，结果是电子损失部分能量，而光子得到这部分能量后能量增加（即频率加大）。因此，逆康普顿散射是使低能光子能量增加的过程，因此实际上也就等价于相对论电子的一种辐射过程。

星际空间存在着星光或微波背景场，而许多高能宇宙线电子穿行其间，它们与低能光子碰撞的结果，电子损失了能量，而低能光子变成了高能光子，天文学家就是利用这种机制来解释宇宙 X 射线的起源。

电子和正电子对在湮灭时产生双光子的过程也与康普顿散射过程完全相似。而这一过程是产生γ射线辐射的主要机制。

轫致辐射

我们已说过，带电粒子（最主要是电子）被加速时会辐射光子。这好像在刹车时会发出刺耳的响声一样。而在等离子体中的电子与离子发生近碰撞时，库仑力作用使电子获得加速，这时电子产生的辐射称为轫致辐射。

通常一群电子其能量有一定的分布规律。物理学中把能量分布满足麦克斯韦分布规律的一群电子称为热电子，反之则称为非热电子。而由热电子发出的轫致辐射称热轫致辐射，反之则称非热轫致辐射。

宇宙间有相当多的区域是处于等离子体状态。在那里通常的原子分离成电子和带正电的离子两个独立部分。这里电子可能服从麦克斯韦分布。有时并不服从这种分布，但由一系列非辐射库仑碰撞，使电子能量渐趋平衡，于是电子能量回到麦克斯韦分布，这个过程称电子的热化。天文学上，把光束垂直通过吸收层后，其辐射强度按指数律 e－t 减弱的指数 t 称为吸收层的光学厚度。当 t＞ l 称为光学厚层，而当 t≤ 1 时则称光学薄吸收层。对于光学薄的热电子产生的轫致辐射就可作为热轫致辐射处理。

实际观测中发现许多 x 射线源有指数谱型，它们就很可能是热轫致辐射产生的。这些典型的天区或天体有太阳耀斑，它包括射电，微波和 X 射线辐射。H1 区主要是射电辐射。猎户星云的射电辐射，天蝎座 X—l 的光学和 X 射线辐射，后发星团和宇宙弥漫 X 背景的 X 射线都是可能的热等离子体轫致辐射的天区或天体。

这里我们看到，与不同的乐器一样，不同的辐射机制可产生不同的辐射频率。当然如果深入研究会发现，来自不同机制的同类辐射仍存在着差别。就像修养有素的乐曲大师能鉴别不同乐器演奏出的同一曲子一样。

切仑柯夫辐射

通常，狭义相对论认为，任何物质的运动速度不可能大于真空中的光速。但光在不同物质中的传递速度是不一样的。因此在介质中穿行的高速带电粒子，其速率可能大于介质中的光速，此时会产生一种辐射，它是包括可见光在内的连续辐射，具有明显的方向性和强的偏振性质。这种辐射现象首先是由前苏联物理学家切仑柯夫于 1934 年在理论上预言并由瓦维洛夫首次从观测中发现。

作匀速直线运动的带电粒子，当其速度大于介质中的光速时，它辐射的电磁波将集中在粒子后方的一个圆锥形的区域之中。而粒子位于该圆锥的顶点上。类似于船速超过水波传播速度时，在船头附近形成的 V 形波。或空气中运动速率超过声速时所形成的冲击波。切仑柯夫辐射本质上就是一种电磁“冲击波”现象。

由于固体或液体的折射率比气体大，因此通常气体中的切仑柯夫现象较弱。但当极高能宇宙线粒子（主要是电子）穿过大气时的切仑柯夫效应，将产生广延大气簇射（例如，初始的γ光子产生电子对，电子对又通过轫致辐射产生次级γ光子），造成瞬时的高能粒子数的剧增。这些高能粒子穿过大气时引起瞬时的切仑柯夫光脉冲。用光电技术检测这些光脉冲，同时可利用核物理学中的符快技术把光脉冲的产生与宇宙线事件联系起来，这已成为当前γ射线天文学的一种观测手段。

稳态外磁场中完全电离等离子体（磁等离子体）中有可能产生切仑柯夫效应，通常是在射电波段。这可能是天体物理学中的重要射电辐射。目前关于太阳的非热辐射过程，特别是关于与黑子事件相关联的射电发射，大体公认为有多种类型，有不同发射机制。一种可能性是把它归因于等离子体中的切仑柯夫效应。这种射电辐射仅持续很短的时间，量级仅几分钟。另一特点是辐射频宽较窄，且在发射过程中平均频率会从高频向低频漂移。

1980 年，我国天体物理学家尤峻汉和程富华提出在气体介质中切仑柯夫辐射不仅产生连续谱，而且可以产生谱线的概念，并用此模型成功地解释了类星体中的 La 的宽发射线。值得注意的是，这种发射线机制已由徐克奠等人的实验所证实。因此，这种辐射机制在天体物理学中的潜在意义将日益受到重视。

至此，我们已介绍了天体辐射的各个频段，及产生各类辐射的辐射机制。它们好比星星交响乐的不同曲调及演奏这些乐曲所用的乐器。而现代音响还通过立体声效果来表现不同乐器在乐队中的位置，使人们有身临其境的感受。而分布在无边无际的宇宙大舞台的星星乐团，识别其空间位置更有其特殊意义。