产生X射线辐射.PPT

SEDs and model fittings of gamma-ray bright AGNs (Ghisellini et al. 1998) 6、电子对的湮灭(annihilation)与产生(production) 电子-正电子对湮灭过程，产生双光子。是?射线天文学中常见的辐射机制。 在电子静止系中观察，能量为 的正电子和静止电子的湮灭截面为： 在能量很低时(??1)， 有较大值。在低速极限下， 在正电子速度v-0时, 截面发散，湮灭概率仍有限。 设电子密度为 ，每秒电子对湮灭速率为： 与静止电子Tompson散射速率相同 在极端相对论情况下(正电子能量?1)，则： 高能正电子的湮灭截面很小。 ?1时湮灭截面为0。 故高速正电子先通过碰撞电离失去能量而后湮灭。 所产生的双光子一般不具有相同频率，在极端相对论情况下，向前方射出的光子几乎带走全部正电子能量，向后方射出的光子能量只近似有 的量级。 ?光子产生电子对 要产生电子对，?光子能量必须不小于 ，且须有其它粒子(如核子)参与作用。可能产生两种情况： (1)、入射光子产生电子对，电子再与核子场作用 (2)、入射光子产生电子对，正电子再与核子场作用 QED给出：在极端相对论情况下，光子能量及产生的电子、正电子能量都远大于 时，即 ，正电子能量在 间隔内形成电子对的截面为： 式中 =1/137是精细结构常数， 是电子经典半径，Z 为核的原子序数。可见，产生截面对 是对称的。 式中忽略了电子对核库仑场的屏蔽作用，只有满足条 件 时这种忽略才合理。 对完全屏蔽情况当 时，极端相对论的 电子对产生截面公式为： 对所有能量 积分可得产生的电子对总数。 极端相对论下不考虑电子屏蔽的积分截面为： 极端相对论下考虑电子完全屏蔽的积分截面为： 与克莱因-仁科(Klein-Nishina)公式相比， ( ) 电子对产生是高频光子在等离子体中穿行时损失能量的更重要的原因。 光子产生电子对及轫致辐射是宇宙线中电子-光子级联簇射的原因(能量极高的?光子被吸收后产生高能电子对，它们通过轫致辐射失去部分能量，产生次级?光子...) 簇射粒子的极大数的量级是： 是原始电子或光子的能量，对空气 。 对温度很高的热等离子体(如T?108K)，其中就存在由于高温热激发产生的电子对。如在中子星或黑洞吸积盘的内区(处于热平衡的高温等离子体区域)，电子对的数密度为： 由于存在电子对，物态方程(单位体积内能和压强)可表示为： 内能的第三项即电子对的贡献，当温度很高时甚至超过第二项，此时电子对的作用不能忽视。 电子对必须考虑的临界温度T0由下式估计： 其中 ( ) 是远离吸积中心天体处的气体初始密度和温度。 或 其中dM/dt以 yr-1为单位。可见温度相当恒定，总是 ，几乎不随吸积率而变化。表示电子对的产生会阻止温度的继续升高。 在 温度下，尽管电子对总量很少，但电子对湮灭对辐射的贡献已很重要。 电子对数密度仅为： 电子对湮灭贡献的发射系数为： 在T 温度下，轫致辐射发射系数约为： 因此 和 是同量级的。 双光子湮灭产生电子对过程 当能量分别是 和 的两光子发生碰撞，且满足一定阈值条件时，可能发生双光子湮灭产生电子对的反应(电子对湮灭的逆过程)，即： QED计算表明，这一过程的反应截面可与高频光子-电子Compton散射截面(Klein-Nishina公式)比较，也可与电子对湮灭的截面比较，因此在?射线天文学中不可忽视。 在两光子的动量中心参考系(CM-system)S0中，两光子的动量等值而反向，动量和为零。因而两光子的动量(频率)相同，生成的正负电子对的动量和仍为零。即： 在动量中心参考系S0中，非偏振光子湮灭产生电子对的总截面(考虑生成的电子对所有的出射方向后的双光子湮灭截面)为： 为动量中心参考系S0中电子(或正电子)的速度。 如考虑 ，E0为S0系中电子(或正电子)的能量E-(或E+)。由 和 由此得到用在动量中心参考系S0中湮灭前光子能量 表示的双光子湮灭截面，即： 在非相对论极限下， (即 )，有： 在极