不同条件的电磁辐射与多普勒效应
2010-08-16 10:23:17
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作者 苟文俭

本文所述的电磁辐射,都是带电体通过真空的一次能量传递,所述的不同条件指如下两种情形:

1、通过真空的一次能量传递产生于单个带电体:如原子的辐射跃迁、粒子辐射衰变、正反粒子对湮灭辐射、带电高能粒子做变速运动的同步辐射等等,就统称是单体辐射。

单体辐射包括了红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等等,有很宽的频谱,属于电磁波谱的高频端部分。

2、通过真空的一次能量传递产生于人为设计的电磁谐振子,如人们用于各种信号传递的电磁波发射。这是由不同带电单体构成的复合电磁结构形成的,也称是复体辐射。

复体辐射包括了长波、中波、短波、超短波,也有较宽频谱,但与单体辐射不同,它占有的是电磁波谱的低频端部分。

(一)

形成单体辐射的单个带电体,称是单体辐射源;形成复体辐射的复合电磁结构,也称是复体辐射源。单体辐射源与复体辐射源也统称是辐射源

我们知道,单体辐射与复体辐射都属于电磁辐射,人们直接用于观察的可见光就是单体辐射,而直接传递各种信号的电磁波就都是复体辐射。除了应用及频谱分布的有差异外,从物理学角度考察,它们还有如下三个重要差异:

1、如原子的辐射跃迁这样,单体辐射频率与单体辐射源的运动频率无关,其能量等于单体辐射源自身的能量变化;而复体辐射频率与复体辐射源的运动频率完全相等,其能量则等于复体辐射源从外界获取的能量。

2、当辐射源运动时:如带电高能粒子做变速运动的同步辐射这样,一次单体辐射只产生于单体辐射源运动的某个位置,即只与单体辐射源运动的某个瞬时时刻t相关;而一次复体辐射只能产生于复体辐射源运动的某个过程,因此一定是与复体辐射源运动的某个时间过程Δt相关

3、辐射源运动都属于惯性运动,由2就可以确定,当辐射源运动时:单体辐射的振动过程将不受单体辐射源惯性运动的影响,而复体辐射的振动过程,则一定会受复体辐射源惯性运动的影响。

(二)

我们知道,在声波的波源运动时,波源运动要影响声音频,形成了所谓的多普勒效应。在该理论中:如果用u表示波在静止介质中的传播速度,取简单情形,假定观察者相对于介质静止,用vs表示波源相对于介质的速度,便有如下两种情形。

1波源以速度vs相对于观察者运动。如图所示,当波源从S1发出的某振动状态、经过一个周期T的时间传到位置A时,波源已运动到了S2(Δs=vsT),S2与A之间的距离即为此情形下介质中的波长λb。从图可知,此时介质中声波的波长被压缩了,实际A处波的波长λb = λ- vsT,观察者在A处接受到的声波频率f b = fu /(u - vs);fb > f,频率变高。

2波源以速度vs离开观察者运动。同样容易分析,由于波长要被拉伸,观察者在A处实际接受到的声波频率f b = fu /(u + vs);fb < f,频率变低。

波源运动也是惯性运初。多普勒效应与观测结果是一致的。这一事实也表明:波源惯性运动要影响声波频率的多普勒效应是正确的。

(三)

由于多普勒效应的成功,于是我们自然就会有这样的类推:光也是波,因此我们接受到的光波波长也会因为光源运动发生变化。也取简单情形,当我们相对于光传播的空间静止时:光源向着我们运动时,观测到的光波波长被压缩,频率变高(兰移);光源离开我们运动时,观测到的光波波长被拉伸,频率变低(红移)。如此根据光波红(蓝)移的程度,就还可以计算出光源相对于我们运动的速度大小。

但如本文(一)所述,对不同条件的电磁辐射,辐射源的惯性运动对电磁辐射的影响并不相同,上述对光波多普勒效应的认识并不完全符合电磁辐射的如下实际:

1、对单体辐射。如果单体辐射源是运动的,由于单体辐射只与单体辐射源运动的某个瞬时时刻t相关,单体辐射不受单体辐射源惯性运动的影响;因此在上图的表示中,一次单体辐射要么只在S1产生,要么或在S2产生,决不可能是从S1到S2的过程中产生,多普勒效应当然也就决不可能发生。

2、对复体辐射。如果复体辐射源是运动的,由于辐射一定与复体辐射源运动的某个时间过程Δt相关,体辐射的振动过程也必然受复体辐射源的惯性运动影响,因此在上述图的表示中,一次复体辐射也就一定实现于从S1到S2的过程,这就会影响到我们观测到的电磁辐射频率,有多普勒效应发生。

另外还有一种情形:对可见光的反射,如果反射面是运动的,在不同时间,相同频率光的反射点会处于不同位置,这样相同频率光就具有了是在其运动过程中反射的效果,因此也就会观测到光反射中与多普勒效应相类似的现象。

由于我们观测的光都是单体辐射,由上述1的认识就可以确定:在没反射面运动的条件下,可见光决不可能有多普勒效应发生。

现代宇宙学研究普遍认为:宇宙光谱红移就产生于多普勒效应。由于用于宇宙学观测的可见光也属于单体辐射,因此上述认识的一个特别重大的意义是:宇宙星系光谱红移现象并非产生于多普勒效应。

容易理解,只要用实验证明了运动粒子或原子辐射的可见光,只与它们的某一位置有关,与它们的运动过程无关,也就验证了可见光并非有多普勒效应。

即证明上述关于宇宙星系光谱红移并非多普勒效应的实验,并不十分复杂。

完成于2010-8-16

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