天体物理中的辐射过程

课程编码：070400M01002H 英文名称：Radiative Processes in Astrophysics 课时：60 学分：3.00 课程属性：一级学科核心课 主讲教师：刘碧芳

本课程是为天文学科天体物理专业研究生开设的专业基础课，也可供相关物理专业研究 生和天文工作者选修。该课程是联系基础物理和天文学的桥梁，是天体物理研究者的基本 工具之一。要求学生熟悉电动力学、电磁理论，对量子力学和狭义相对论理论有初步的了 解和简单运用。课程将系统讲述天体物理中辐射过程的基本概念和原理，包括经典辐射理 论和(半)量子辐射理论，以及辐射转移，基础性与系统性兼备。课堂讲授着重物理分析， 有必需的理论推导，强调理论在各类天体中的应用，适当联系当前天体物理研究中的一些 前沿问题。课程还包含较多的、理论联系实际的课后练习，以及综合运用辐射机制和辐射 转移的小课题，学生必须有一定的课后练习时间。通过本课程的学习，要求学生掌握天体 物理中辐射的基本过程、相应物理、以及应用技能，帮助学生较快进入天体物理研究课题。

电动力学，相对论，量子力学，热力学与统计物理

第一章 引言 3.0学时
第1节 课程整体安排、教学计划和考核方式、教材及参考书目
第2节 辐射在天体物理研究中的意义与重要性
第3节 天体物理中辐射的基本概念
第二章 辐射转移的基本知识 6.0学时
第1节 辐射转移方程
第2节 热辐射、普朗克函数、黑体辐射；相关的温度定义
第3节 爱因斯坦系数及其相互关系
第4节 —  散射；随机游动
第5节 吸收和散射共存条件下的辐射转移方程及特定条件下的解
第6节 —  辐射耗散：罗斯兰近似；爱丁顿近似；双流近似
第三章 辐射场基本理论 3.0学时
第1节 —  麦克斯韦场方程 平面电磁波 辐射谱
第2节 —  偏振 斯托克斯参数
第3节 电磁势
第四章 运动电荷的辐射（经典理论） 3.0学时
第1节 李纳－维谢尔势
第2节 —  单个非相对论带电粒子的辐射功率
第3节 多粒子系统辐射的偶极近似
第五章 相对论简介 3.0学时
第1节 洛伦兹变换、多普勒效应、光行差
第2节 度规、四维矢量的构建+相对论力学基本方程
第3节 电磁场的洛伦兹协变性
第六章 相对论运动电荷的辐射 3.0学时
第1节 —  相对论带电粒子的辐射
第2节 —  带电粒子的辐射总功率与角分布
第3节 —  带电粒子辐射的谱分布
第七章 作业展示与选讲 3.0学时
第1节 作业展示与选讲
第八章 轫致辐射 3.0学时
第1节 —  单个运动电荷的辐射功率与辐射谱
第2节 —  轫致辐射及其谱分布
第3节 —  从轫致辐射到黑体辐射
第九章 同步辐射，回旋辐射 6.0学时
第1节 —  辐射总功率
第2节 —  单个电子的辐射光谱，电子系的辐射光谱
第3节 —  从回旋辐射到同步辐射
第4节 —  同步自吸收
第5节 —  同步辐射的偏振特性
第6节 —  同步辐射在天体物理中的应用
第十章 逆康普顿散射 6.0学时
第1节 —  汤姆孙散射
第2节 —  康普顿散射
第3节 逆康普顿散射谱
第4节 —  康普顿y参数、热电子的逆康普顿散射谱
第5节 —  光学薄、相对论电子的逆康普顿散射谱
第6节 —  非相对论电子的多次散射：Kompaneets 方程
第十一章 多种辐射过程在天体中的应用 6.0学时
第1节 —  非相对论热气体的辐射谱
第2节 —  同步自康普顿辐射
第3节 热吸积流的辐射过程：轫致辐射、同步辐射、同步自康普顿、外康普顿，电子对湮灭
第4节 活动星系核的辐射机制
第5节 射电平谱类星体的光谱
第十二章 等离子体效应 3.0学时
第1节 无磁场： 各向同性冷等离子体中的色散关系、折射及其在等离子体色散在天体物理中的应用
第2节 有磁场：— Faraday rotation (法拉第旋转/磁光效应）
第3节 高能辐射过程中的等离子体效应：Cherenkov radiation（切仑柯夫辐射）+Razin效应
第十三章 复合辐射 4.0学时
第1节 —  氢(或类氢)离子的复合截面、复合速率
第2节 —  复合辐射连续谱
第3节 —  复合线
第4节 —  束缚－自由吸收（光电吸收）
第十四章 碰撞激发+荧光辐射 2.0学时
第1节 —  碰撞激发与退激发辐射
第2节 —  (光致电离/激发)荧光辐射
第十五章 总复习（内容总结+习题讲解） 3.0学时
第1节 总复习（内容总结+习题讲解）
第十六章 考试 3.0学时
第1节 考试

刘碧芳，国家天文台研究员，个人主页：http://people.ucas.edu.cn/~bfliu