Astronet > Ionizacionnoe ravnovesie

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Ionizacionnoe ravnovesie

- stacionarnoe raspredelenie ionov plazmy po zaryadam (kratnostyam ionizacii). I. r. opredelyaetsya balansom (dinamich. ravnovesiem) vsevozmozhnyh processov ionizacii i rekombinacii i zavisit ot temp-ry i plotnosti plazmy, a takzhe ot vnesh. vozdeistvii. K poslednim otnosyatsya: intensivnost' el.-magn. izlucheniya, plotnost' potoka kosmich. luchei i t.p.

Oboznachim N(X,z) chislo ionov X_z elementa H v ed. ob'ema, gde z - spektroskopich. simvol iona, k-ryi na 1 bol'she kratnosti (zaryada) iona. Dlya neitral'nyh atomov z= 1, dlya odnokratno ionizovannyh atomov z= 2 i t.d. Dlya konkretnyh atomov znachenie z obychno pishut v vide rimskoi cifry ryadom s simvolom elementa, napr. dlya X= Fe ion Fe₂₅= FeXXV =Fe²⁴⁺ (eto - ion Fe s dvumya elektronami - geliepodobnyi ion). Otnositel'naya koncentraciya ionov X_z oboznachaetsya n_z= N(X,z)/N(X), gde $N(X)=\sum\limits_z=N(X, z)$ - summarnaya koncentraciya ionov X_z.

Znacheniya n_z i zavisimost' n_z ot temp-ry [n_z(T)] sushestvenno razlichny pri bol'shih i malyh plotnostyah plazmy. Opredelyayushim processom pri etom yavl. rekombinaciya. Pri bol'shih plotnostyah preobladaet bezyzluchatel'naya rekombinaciya, k-raya mozhet proishodit' lish' pri stolknoveniyah treh chastic - iona i dvuh elektronov:
$X_{z+1}+2{\rm e}\to X_z+{\rm e}$ . (1)
Vtoroi elektron neobhodim, chtoby zabrat' izbytok energii pervogo (ego kinetich. energiyu i energiyu svyazi). Pri nizkih plotnostyah veroyatnost' processa (1) mala i preobladaet dvuhchastichnaya rekombinaciya s uchastiem fotona (sm. nizhe). Chto zhe kasaetsya ionizacii. to v oboih sluchayah pri otsutstvii vnesh. oblucheniya ona obuslovlena stolknoveniyami s elektronami:
$X_z+{\rm e}\to X_{z+1}+2{\rm e}$ . (2)
T.o., pri vysokih plotnostyah i otsutstvii vnesh. oblucheniya I. r. obuslovleno balansom dvuh vzaimno obratnyh processov (1) i (2). Eto oznachaet, chto imeet mesto lokal'noe termodinamicheskoe ravnovesie (LTR). Sluchai nizkih plotnostei naz. koronal'nym predelom (KP), t.k. on horosho realizuetsya v usloviyah solnechnoi korony (o LTR i KP sm. v st. Lineichatoe izluchenie).

V usloviyah LTR chislo ionov opredelennoi kratnosti polnost'yu opredelyaetsya makroharakteristikami - temp-roi T i elektronnoi koncentraciei N_e i ne zavisit ot harakteristik elementarnyh processov ionizacii i rekombinacii. Pri etom n_z dayutsya Saha formuloi:
${n_{n+1}\over {n_z}}= S {g_{z+1}\over {g_z}}\; e^{-\chi_z/kT}$
gde $S=2\;\left( {mkT\over {2\pi \hbar}}\right)^{3/2}\cdot {1\over {N_e}}$ (3)
$\chi_z$ i g_z - energiya ionizacii i statistich. ves iona X_z (tochnee, summarnyi statistich. ves urovnei s energiei $\varepsilon< kT$ ). Faktor S mozhno zapisat' v vide
$S=6\cdot 10^{21}\;\theta^{3/2}/N_e$ , (4)
gde $\theta$ - temp-ra v eV ( $\theta=T/11600$ K). Otsyuda vidno, chto pri vseh plotnostyah i temp-rah, predstavlyayushih fiz. interes, S chrezvychaino veliko.

Pri z >1 f-ciya n_z(T) s rostom T snachala rastet za schet ionizacii ionov s z' < z, a zatem ubyvaet za schet ionizacii ionov s X_z, v rezul'tate k-roi voznikayut iony bolee vysokoi kratnosti. Chislo ionov X_z+1 stanovitsya bol'she, chem chislo ionov X_z pri T>T_z, gde
$T_z=\chi_z/k\ln \left({g_{z+1}\over {g_z}} \; S\right)$ i $kT_z\ll \chi_z$ . (5)
Neravenstvo (5) svyazano s tem, chto pri privychnyh laboratornyh plotnostyah plazmy veroyatnost' stolknoveniya treh chastic namnogo men'she, chem dvuh. Pri $kT_z\ll \chi_z$ eto kompensiruetsya malym chislom elektronov, sposobnyh vyzvat' ionizaciyu. V to zhe vremya rekombinirovat' mogut vse elektrony.

Pri nizkih plotnostyah trehchastichnaya rekombinaciya stanovitsya ochen' redkim sobytiem, za isklyucheniem rekombinacionnyh perehodov na ochen' vysokie urovni energii (s glavnym kvantovym chislom $n\ge$ 100, sm. Rekombinacionnye radiolinii). I. r. opredelyaetsya balansom udarnoi ionizacii i dvuhchastichnoi rekombinacii - izluchatel'noi (radiacionnoi) i dielektronnoi. Pri izluchatel'noi rekombinacii
$X_{z+1}+{\rm e}\to X_z+\gamma$ , (6)
t.e. izbytok energii unositsya fotonom $\gamma$ . Dielektronnaya rekombinaciya - t.n, rezonansnyi process, v k-rom izbytok energii idet na vozbuzhdenie iona X_z+1 iz osn. sostoyaniya $\alpha_0$ v sostoyanie $\alpha$ , a elektron e^- zahvatyvaetsya na k.-l. uroven' nl. V rezul'tate obrazuetsya dvukratno vozbuzhdennyi ion X_z**, k-ryi mozhet pereiti v obychnoe vozbuzhdennoe sostoyanie X_z*, ispustiv foton $\gamma$ :
$X_{z+1}(\alpha_0)+{\rm e}^-\to X_z^{**}(\alpha nl)\to X_z^*(\alpha_0 nl)+\gamma$ . (7)
Poskol'ku processy (6), (7) i udarnaya ionizaciya ne yavl. vzaimno obratnymi, LTR pri nizkoi plotnosti ne imeet mesta. Pri etom otnoshenie n_z+1/n_z zavisit ne tol'ko ot makroparametrov, no i ot harakteristik elementarnyh processov. V predele nizkoi plotnosti (KP):
${n_{z+1}\over {n_z}}={q_i\over {q_{r\gamma}+q_{rd}}}$ , (8)
gde q_i - skorost' ionizacii, a $q_{r\gamma}$ i q_kv - skorosti (chislo aktov v ed. vremeni) izluchatel'noi i dielektronnoi rekombinacii na vse urovni iona X_z. Velichina $q_{r\gamma}$ sootvetstvuet velichine $\alpha_{poln,z}$ vvedennoi v st. Rekombinaciya. V otlichie ot (3) raspredelenie (8) ne zavisit ot N_e, poskol'ku skorosti ionizacii i rekombinacii teper' odinakovo zavisyat ot N_e (oni proporcional'ny N_e). V usloviyah zhe LTR preobladaet trehchastichnaya rekombinaciya, ee skorost' $\sim N_e^2$ .

Ionizacionnye krivye n_z(T) dlya ionov
kisloroda v koronal'nom predele.
Cifry u krivyh pokazyvayut kratnost'
ionizacii atoma kisloroda.

Primer ionizacionnyh krivyh dlya kisloroda v usloviyah KP pokazan na ris. V KP stepen' ionizacii maksimal'na. S rostom N_e vstupaet v igru trehchastichnaya rekombinaciya, n_z+1/n_z umen'shaetsya (tem sil'nee, chem bol'she N_e), t.e. ionizacionnye krivye n_z(T) sdvigayutsya v storonu bol'shih temp-r. Pri etom sushestvennuyu rol' nachinaet igrat' ionizaciya iz vozbuzhdennyh sostoyanii (stupenchataya ionizaciya), osobenno s metastabil'nyh urovnei. Dlya kolichestvennogo resheniya zadachi neobhodimo reshenie bol'shoi sistemy ur-nii balansa. V sluchae LTR neravenstvo $kT_z\ll \chi_z$ svyazano s maloi veroyatnost'yu trehchastichnyh stolknovenii, a v usloviyah KP - s tem, chto el.-magn. vzaimodeistvie (izluchatel'naya rekombinaciya) gorazdo slabee (~1/137³), chem elektrostaticheskoe (udarnaya ionizaciya). Otnoshenie potenciala ionizacii $\chi_z$ k temp-re T, pri k-roi koncentraciya ionov X_z maksimal'na, zavisit ot sootnosheniya skorostei processov. Skorost' ionizacii ubyvaet s rostom z. Poetomu velichina $\beta_z=\chi_z/kT_z$ , kak pravilo, ubyvaet s rostom z. Dlya vodorodo- i geliepodobnyh ionov v KP pri z >20 znachenie $\beta_z\le$ 4 i $\beta_z\le$ 10 pri z < 8. Poetomu v ochen' goryachei plazme razlichie v koncentraciyah ionov sosednih z menee rezkoe.

Vo mnogih astrofizich. ob'ektah, v chastnosti v zonah HII, v obolochkah kvazizvezdnyh ob'ektov i dr., I. r. opredelyaetsya vnesh. el.-magn. izlucheniem, temp-ra k-rogo $T_\gamma\gg T_e$ , gde T_e - elektronnaya temperatura. Eto oznachaet, chto v ionizacii mozhet uchastvovat' mnogo fotonov, v to vremya kak lish' nebol'shaya dolya (bystryh) elektronov, soglasno neravenstvu (5), uchastvuet v etom processe. V rezul'tate rezko uvelichivaetsya skorost' ionizacii. Rekombinaciya pri etom po-prezhnemu opredelyaetsya elektronnoi temp-roi.

Osoboe mesto zanimaet sluchai nestacionarnoi ionizacii, kogda temp-ra ili dr. harakteristiki plazmy menyayutsya so vremenem. Poskol'ku process rekombinacii medlennyi, pri bystrom ponizhenii temp-ry stepen' ionizacii otstaet ot tempa snizheniya T_e. Etot sluchai harakteren dlya rekombiniruyushei plazmy. Vozmozhna i obratnaya situaciya. Napr., v rasshiryayushihsya molodyh obolochkah sverhnovyh zvezd ionizaciya do vysokih z (vplot' do golyh yader), sootvetstvuyushih temp-re ionov v neskol'ko keV, ne uspevaet osushestvlyat'sya, chto mozhet privesti k anomal'nomu usileniyu linii geliepodobnyh ionov.

Lit.:
Aller L., Atomy, zvezdy i tumannosti, per. s angl., M., 1976; Kaplan S.A., Pikel'ner S.B., fizika mezhzvezdnoi sredy, M., 1979; Sobolev V.V., Kurs teoreticheskoi astrofiziki, 2 izd., M., 1975; Vainshtein L.A., Sobel'man I.I., Yukov E.A., Vozbuzhdenie atomov i ushirenie spektral'nyh linii, M., 1979.

(L.A. Vainshtein)

L. A. Vainshtein, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

L | R | A | B | V | G | D | E | Zh | Z | I | ' | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | Sh | E | Yu | Ya

Publikacii s klyuchevymi slovami: ionizacionnoe ravnovesie - ionizaciya - rekombinaciya Publikacii so slovami: ionizacionnoe ravnovesie - ionizaciya - rekombinaciya
Sm. takzhe: Tumannosti IC 59 i IC 63 v Kassiopee Tumannost' Koshach'ya Lapka NGC 1499: tumannost' Kaliforniya Kosmologiya rannei Vselennoi Cvetastye oblaka okolo Rho Zmeenosca Rozhdenie galaktik: glubokii poisk na kosmicheskom teleskope im.Habbla "Zheleznoe" Solnce Vse publikacii na tu zhe temu >>

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati