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电子回旋脉泽辐射之与波共浪 精选

已有 5174 次阅读 2020-1-5 12:43 |系统分类:科普集锦

 (一)与波共舞、与波共振;与波共鸣、与波共浪。

撰写此文,是近几年沉淀下来的一个想法。想以“高级”科普报告的形式解释一个颇为晦涩的物理过程 ---- 电子回旋脉泽辐射,对更年轻学子们自然会有用。之前,曾发布了博文(凝心聚力、同频共振之相干辐射:http://blog.sciencenet.cn/blog-685476-1178278.html),内容稍有重复,但并不影响本文及后续博文自成体系。

虽然晦涩,但这一过程却是目前宇宙空间天体射电辐射的一个重要机制,是目前提出的等离子体相干辐射的两大机制之一,可以说占了这一领域的“半壁江山”。要知道,宇宙空间中,大约99%的已知物质(排除暗物质暗能量)都处于等离子体态,而探测遥远宇宙和空间性质的方式主要就是采集它们的辐射,这“半壁江山”何其重要不言而喻。

再晦涩,也要争取搞懂,否则如何温故知新哪?至少要有诚意还要努力!这是学科领域的冷板凳之一,很基础又重要但是坐的人少。

地球的极光千米波辐射、木星的十米波射电辐射、土星射电、太阳射电、类太阳恒星射电、系外行星射电、乃至遥远天体如脉冲星等的射电辐射,都有这一理论的用武之地。这一理论的提出和确认,同许多其它物理理论一样都经历了曲折的历程,这一点后面再介绍,此处先厘清一些基本概念。

相干辐射过程所产生的光子可同频、同向传播,同相故相干,所得辐射一般频带窄、亮度高,“像激光一样”。在等离子体中,目前提出了两种相干辐射机制,一种可以把电磁辐射信号直接线性放大(依指数形式快速增长),即为本文着力解释的电子回旋脉泽辐射;另一种涉及到波波作用的非线性过程,被称为等离子体辐射,此处暂不涉及。

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 配图:与波共浪、我心也荡。电子与波的共振作用物理图景与冲浪运动的物理原理基本一致。电子和冲浪运动员一样,都需要与波同速运动、站到特殊的波相位点上面,方能随波逐浪、从行进的波中汲取能量。图片取自网络。


先从“电子回旋脉泽辐射”名词解释开始:写文章要先破题,破完题大概也就清楚了。

先说电子。它们是天体和空间等离子体的主要成份,带负电。由于获得了足够的能量,这些电子脱离了核力约束,浪行于空间宇宙。相对于那些被约束于狭小原子内部空间的弟兄们而言,空间中的电子可以说非常地“随心所欲、浪迹天涯”了。当然,也并非完全百分百自由。

一方面,他们要受到“异性”电荷的电力牵绊,使它们不能任性浪迹,因为周边常有正电荷包围,二者之间的电场力保证正负电荷不能分离太开---整体上呈中性的组合是最稳定的了(:-))。

另一方面,磁场在宇宙空间中几乎无处不在。磁场的出现,使得运动中的电子受到洛伦兹力。该力的使命就是让电子围绕磁场打转,做回旋运动,也称为拉莫运动。回旋舞动的频率就是回旋频率。简单看看,回旋频率大小,在太阳大气中,磁场按10高斯计算,则为28MHz,就是一秒钟旋转近三千万圈;在太阳风中,磁场按10^-4高斯计算,则为280 Hz,就是一秒钟旋转近三百圈。可见,磁场中的电子,是当之无愧真正的 “旋舞者”!

“脉泽”则是一种受激辐射过程,在之前的博文中有些解释,此处稍作重复。1917年爱因斯坦提出了这一概念,当一光子与一处于高能态的粒子作用,条件合适时会激发同频同向的相干光子,与原光子一起若再与两个高能态粒子作用,便可得四个相干光子,如此克隆复制。当然,光子也会被低能态的粒子吸收,如果处于高能态的粒子数目超过了低能态的数目,就可得净辐射。激光(LASER)是这样制成的;而脉泽辐射则是激光过程在微波频段的再现,简称MASER,全名是Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation,表示受激放大的微波辐射。

注意到,脉泽过程的一个关键条件是参与受激发射的高能态粒子数要高于低能态粒子数。这是一基本条件。所讨论的射电相干辐射被称为脉泽过程,就是因为也需要一个类似条件。下面介绍完波场偏振与共振作用后会接上。

射电辐射是指无线电波段的电磁波,与光波本质上一样,只是波长或频率不同而已。在真空中,传播速度是光速,对应于“电场随时变化感生磁场、磁场随时变化感生电场”的电磁变换过程。波的电场矢量随着传播会发生旋转,称为波的偏振,根据旋转方向,可分左旋与右旋偏振。在等离子体中传播的电磁光波,由于电子感受到波动电场的作用,会附加一反作用电场,使等离子体中同波长光波的频率更高,一举使得波的相速度超越了真空光速。

一般情况下,电子感受到的波场极性忽正忽负。几个回合下来,电子受到的波场作用相互抵消,净作用力为零,波场与粒子之间也就不会有能量交换。而在一种特殊情况下,电子会感受到固定极性或者常相位的波场作用,如何才能实现这一电子的感受呢?

在这一特殊情况下,在电子看来,也就是跟随电子一起运动时,应无法感受到波场的相位变化。简单直白,就是波场如何旋进,电子也要同样旋进,反之亦然。

在有磁场时,可将电子运动分解为两个分量,一是平行于磁场的分量(v//);一是垂直于磁场的回旋运动分量,回旋频率为电子回旋频率(wce)。对于最为简单的沿磁场方向传播的电磁横波(w, k),电场偏振面与磁场垂直,即波的运动形式与电子运动相仿,同样有平行分量和旋转的垂直分量。电子的平行运动会导致波频被多普勒频移为w- k v//v//要恰好能使频移后的波频只余下偏振成分;若进一步有w- k v//=wce,则电子与波亦步亦趋同速旋进,也便感受不到波场的相位变化。这便是该情形下波和电子共振作用条件。

沿一般方向传播时,波矢k与磁场不平行,此时仍需考虑电子平行运动所对应的多普勒频移项,波的频率被移为w- k// v//后,波动平动效应恰好被消除;再考虑电子回旋运动效应,由于kperp 0,引起波在垂直方向相位的额外变化,这一变化体现为只要被多普勒频移后的波频等于回旋频率的整数倍,电子就能感受到一部分不随时间变化的常相位波场。这样,共振条件改写为:w- k// v//=nwcen为整数,对于一般情况都是成立的。

共振时,在一定时间内,电子受到了极性不变的电场作用,会持续加速或减速,对应于波与粒子间能量的共振交换。粒子加速则从波中吸收能量,已有波会相应衰减,反之波则增长。

至于“脉泽“一说,前文中有交代,一个重要的脉泽条件就是高能态粒子数多于低能态的粒子数,使得发射率高于吸收率,方得净辐射。在等离子体中,电子与波作用时,速度是有分布的,波也会占有一定带宽。这时,比波的平行相速稍慢的电子会被波场加速,从波中获能,而稍快者则会被减速从而将能量交予波。算下来,若稍快者即能量稍高的电子的数量占优的话,这通常被理解为电子的速度分布具有正梯度,则电磁波便会净增长,引起辐射。此条件与前述脉泽条件神似,故也将等离子体中的这一射电辐射机制称为脉泽过程,尽管并不涉及任何原子的能量跃迁过程。辐射强度取决于共振过程中电子能量向波能的转换效率。对于电子回旋脉泽过程而言,研究表明,可将千分之几到百分之几的电子能量转为辐射能,效率很高。

尽管严格限制了本文讨论的内容,仍写满近两页,待后面重新起意时继续撰写,争取成一系列,可相互依托减少赘述;适当时候,也会介绍我们最近的研究进展,深究太阳射电爆发的“吴氏”猜想(见前一博文:凝心聚力、同频共振之相干辐射)。

 

电子回旋,脉泽辐射;与波共浪,我心也荡!

作者于威海

202015日晨

 



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