ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Механизмы испускания, поглощения и рассеяния света в газах из "Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений " На рис. 2.2 изображена схема энергетических уровней простейшей атомной системы, состоящей из протона и электрона, которые в связанном состоянии образуют атом водорода. За нуль энергии принята, как обычно, граница между свободным и связанным состояниями электрона, так что в связанном состоянии энергия отрицательна. В связанном состоянии электрон может находиться только на определенных, дискретных энергетических уровнях. Основное состояние системы протон — электрон имеет энергию = —13,5 эе, равную по абсолютной величине потенциалу ионизации атома водорода. В свободном состоянии с положительной энергией (ионизованный атом водорода) электрон может обладать любой энергией, так что энергетический спектр непрерывен. [c.100] В качественном отношении энергетический спектр сложных атомных систем не отличается от спектра простейшей. [c.100] Все электронные переходы можно, как это принято в астрофизике, подразделить на три группы по признаку непрерывности или дискретности энергетического спектра начального и конечного состояний атомной системы на связанносвязанные, связанно-свободные и сво-бодно-свободные (все возможные переходы показаны на рис. 2.2 стрелками). [c.100] К связанно-связанным относятся переходы электронов в атомах, молекулах и ионах с одного дискретного уровня на другой. В силу дискретности энергетических уровней связанного состояния электронов при таких переходах испускаются и поглощаются линейчатые спектры. В молекулах, когда одновременно с электронным переходом происходит изменение состояния колебательного и вращательного движений, получаются полосатые спектры ). [c.100] Схема энергетических уровней системы протон-электрон. [c.100] Ег = —13,5 9в — основное состояние атома водорода Ее, Е, — уровни с главными квантовыми чиоламип=2,3. Е = О соответствует границе между дискретным и непрерывным спектрами. Стрелками показаны возможные типы переходов I — связанно-связанный, II — захват электрона протоном. IIIионизация атома, IV — свободно-свободный. [c.100] Следует отметить, что не любой квант может вызвать фотоэффект в атоме, находящемся в определенном состоянии. Энергия кванта должна превышать энергию связи электрона в этом состоянии. Однако любой, даже самый маленький квант может вырвать электрон иэ достаточно сильно возбужденного атома, так как с возрастанием возбуждения злектрон становится связанным все слабее и слабее. [c.101] В ионизованном газе (плазме) свободный электрон, пролетая в электрическом поле иона, может испустить квант, не потеряв при этом всей своей кинетической энергии и оставаясь свободным, либо же поглотить квант, приобретая дополнительную кинетическую энергию. Эти свободно-свободные переходы часто называют тормозными, так как при испускании электрон как бы тормозится в поле иона, теряя часть своей энергии на излучение. Тормозные процессы дают также непрерывный спектр излучения и поглощения. [c.101] Тормозные процессы могут происходить и при пролете электрона в поле нейтрального атома. В отличие от поля иона, поле нейтрального атома очень быстро спадает с расстоянием, поэтому для процесса испускания или поглощения света необходимо тесное сближение электрона и атома. Вероятность тормозного процесса с згчастием нейтрального атома гораздо меньше, чем с участием иона. [c.101] Коэффициенты связанно-связанного и связанно-свободного поглощения пропорциональны числу поглощающих атомов, находящихся в 1 см газа N. Величина коэффициента, отнесенная к одному поглощающему атому, зависит только от свойств атома, степени его возбуждения, частоты кванта, т. е. является характеристикой самого атома. Эта величина va/-/V = Оу имеет размерность см (размерность va — 1/см, размерность N — 1 /см ) и носит название эффективного сечения поглощения. Ее физический смысл легко понять путем следующего рассуждения. Пусть параллельный пучок света частоты V с сечением в 1 см проходит через поглощающий газ. Поглощение можно представить себе таким образом, будто каждый атом заменен неким маленьким непрозрачным диском, перпендикулярным к направлению пучка, попадая в который квант застревает (поглощается). [c.101] Если площадь каждого диска равна av) число дисков — атомов в см есть N, то полная площадь всех дисков, расположенных в слое газа с площадью 1 см и толщиною 6х, равна 1 см N0 йх. Выберем йх настолько малым, чтобы находящиеся в слое диски не перекрывались. Тогда, очевидно, при прохождении света через такой слой застрянет доля квантов, равная отношению непрозрачной площади йх см к полной —1 см , т. е. [c.101] Вспоминая определение коэффициента поглощения (см. формулу (2.6)), ползгчаем, что Ху = т. е. эффективное сечение Оу есть как бы площадь непрозрачного (для частоты V) диска, соответствующего одному поглощающему атому. Точно так же можно говорить и об эффективном сечении атома или какой-либо другой частицы для рассеяния квантов. [c.101] Связанно-связанные переходы вызываются квантами строго определенной энергии Лг, лежащей в чрезвычайно узких пределах. Эта энергия должна соответствовать разности энергий двух уровней в атоме. Поэтому о таком поглощении говорят о как селективном. Эффективные сечения поглощения изолированных атомов для этих избранных квантов чрезвычайно велики. Для квантов видимого света они порядка 10- см в центре линии (в середине узкого интервала селективного поглощения) ). Такие сечения отвечают очень малым длинам пробега квантов. Например, при плотности N 101 см (порядка плотности атмосферного воздуха) длина пробега была бы порядка I = Цк = 1/Мо см. [c.102] Эффективные сечения для связанно-свободного поглощения, т. е. для фотоэффекта, гораздо меньше, порядка 10- —10- ° (// - 10- — 10 см при N 101 см- ). Эти величины относятся, конечно, только к таким квантам, которые вообще в состоянии вырвать электрон из атома, т. е. энергия которых больше энергии связи электрона. [c.102] Что касается свободно-свободных переходов, то для поглощения кванта необходимо, чтобы электрон пролетел в момент поглощения очень близко от иона — столкнулся с ионом (свободный электрон не в состоянии поглотить квант, он может только рассеять его). Поэтому коэффициент тормозного поглощения пропорционален как числу ионов, так и числу свободных электронов в 1 еле %тор М+ е. Говорить об эффективном сечении иона Отор = Стор/Л + можно только в условном смысле, так как это сечение пропорционально плотности свободных электронов. Оказывается, однако, что в случае неполной ионизации коэффициент тормозного поглощения пропорционален только первой степени плотности газа, так как плотности пропорционально само произведение N+Ne. Для квантов, наиболее распространенных при данной температуре, коэффициент тормозного поглощения примерно на порядок меньше коэффициента связанно-свободного поглощения. [c.102] В случае же полной ионизации, когда в газе присутствуют только ядра и электроны (и связанно-свободного поглощения вообще нет), коэффициент тормозного поглощения пропорционален квадрату плотности газа. [c.102] Вернуться к основной статье