Astronet > Vzaimodeistvie izlucheniya s veshestvom

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

Vzaimodeistvie izlucheniya s veshestvom

VZAIMODE'STVIE IZLUChENIYa S VEShESTVOM - svoditsya k sovokupnosti elementarnyh processov rasseyaniya (uprugogo i neuprugogo), poglosheniya i generacii el.-magn. izlucheniya. Nizhe rassmatrivayutsya v osnovnom processy, privodyashie k oslableniyu izlucheniya (o generacii izlucheniya sm., napr.. Lineichatoe izluchenie, Neteplovoe izluchenie, Mazernyi effekt, Tormoznoe izluchenie). Potok izlucheniya s chastotoi v, prohodyashii cherez sloi veshestva, oslablyaetsya iz-za poglosheniya, uprugogo rasseyaniya vbok i iz-za neuprugogo rasseyaniya. V sluchae optich. izlucheniya takoe oslablenie naz. ekstinkciei.

Vzaimodeistvie (kak otdel'nye elementarnye processy, tak i lyubaya ih kombinaciya) fotona s rasseivayushei ili pogloshayushei chasticei harakterizuetsya effektivnym poperechnym secheniem (EPS) s. Ego mozhno opredelit' kak otnoshenie veroyatnosti vzaimodeistviya na edinice puti dP/dx k koncentracii N chastic, s k-rymi proishodit vzaimodeistvie:

$\sigma = \frac{1}{N} \cdot \frac{d P}{dx}$

EPS zavisit ot sostoyaniya fotonov i chastic do i posle vzaimodeistviya. Razlichayut differencial'noe EPS, opredelyaemoe veroyatnost'yu takogo vzaimodeistviya, pri k-rom foton i chastica iz fiksirovannyh nachal'nyh sostoyanii perehodyat v opredelennye konechnye sostoyaniya, i polnoe, ili integral'noe, EPS - rezul'tat integrirovaniya differencial'nogo EPS po vsem konechnym sostoyaniyam. Polnoe EPS imeet razmernost' ploshadi (sm²).

Oslablenie izlucheniya mozhno harakterizovat' koeff. oslableniya intensivnosti izlucheniya m (ego chasto naz. takzhe koeff. poglosheniya); m vyrazhaetsya cherez EPS poglosheniya s_pogl i EPS rasseyaniya s_rass: m = N (s_pogl + s_rass), pli, esli izluchenie vzaimodeistvuet s razlichnymi sortami (i) chastic s koncentraciyami N_i, to

$\mu = \sum_{i} N_{i} \left( \sigma^{i}_{pogl} + \sigma^{i}_{rass} \right),$

gde sⁱ_pogl i sⁱ_rass - sootvetstvuyushie EPS dlya kazhdogo sorta chastic. Oslablenie intensivnosti I izlucheniya, proshedshego sloi veshestva tolshinoi l, opisyvaetsya vyrazheniem:

I(l) = I₀ e ^-t(l) ,

gde I₀ - intensivnost' vhodyashego v sloi izlucheniya. Bezrazmernaya velichina

$\tau (l) = \int_0^l {\mu(x)dx}$

naz. opticheskoi tolshei sloya. Chasto m i t vvodyat otdel'no dlya kazhdogo processa vzaimodeistviya.

Osn. processami V. i. s v. v kosmich. usloviyah yavlyayutsya: ekstinkciya sveta na pylinkah, pogloshenie i rasseyanie v liniyah, fotopogloshenie, tormoznoe pogloshenie, komptonovskoe i tomsonovskoe rasseyanie, rozhdenie par, pogloshenie fotonov yadrami.

Ekstinkciya sveta na kosmicheskih pylinkah privodit k oslableniyu bleska i k izmeneniyu spektra zvezd - mezhzvezdnomu pokrasneniyu (sm. takzhe Mezhzvezdnoe pogloshenie sveta). Pokrasnenie proishodit iz-za usileniya ekstinkcii s umen'sheniem dliny volny. Naryadu s EPS ekstinkciyu chasto harakterizuyut faktorom effektivnosti rasseyaniya Q_pacc i faktorom effektivnosti poglosheniya Q_pogl (otnosheniya sootvetstvuyushih EPS k geometrich. secheniyu sferich. chasticy). V sluchae, kogda dlina volny izlucheniya l >> 2pma (a - razmer pylinki, m - pokazatel' prelomleniya veshestva pylinki),

$Q_{rass} = \frac{\sigma_{rass}}{\pi a^2} = \frac{128 \pi^4}{3} \left( \frac{a}{\lambda}\right)^4 \left| \frac{m^2 - 1}{m^2 + 2}\right| .$

Takoe rasseyanie naz. releevskim. Releevskoe rasseyanie mozhet proishodit' takzhe na molekulah i atomah. Esli pomimo rasseyaniya proishodit takzhe pogloshenie izlucheniya (pokazatel' m kompleksnyi), vvoditsya faktor

$Q_{pogl} = \frac{\sigma_{pogl}}{\pi a^2} = 8\pi \frac{a}{\lambda}\left| Im \left(\frac{m^2-1}{m^2+2}\right)\right| ,$

gde Im oboznachaet mnimuyu chast'. Kak vidno iz privedennyh formul, pri dostatochno bol'shih l pogloshenie preobladaet nad rasseyaniem (Q_pogl >> Q_rass).

Pogloshenie i rasseyanie v liniyah proishodit vsledstvie perehodov elektronov v atomah s odnogo urovnya energii na drugoi (svyazanno-svyazannye perehody). Foton s chastotoi v_kq pogloshaetsya pri perehode elektrona s nizhnego atomnogo urovnya energii q, sootvetstvuyushego energii e_q, na verhnii uroven' k, sootvetstvuyushii energii e_k, e_k- e_q = hv_kq. EPS poglosheniya (oslableniya) v linii zavisit ot sily oscillyatora dannogo perehoda f_kq (sm. Krivaya rosta). Krome etogo, ono zavisit ot otnosheniya chisla atomov, u k-ryh na nizhnem urovne q est' elektron, a verhnii uroven' k svoboden, k polnomu chislu atomov, t. e. ot ih raspredeleniya po energiyam (sm., napr., Bol'cmana raspredelenie).

Vazhnoi harakteristikoi spektral'noi linii, ot k-roi zavisyat processy rasseyaniya i poglosheniya v linii, yavl. ee profil'. Profil' spektr. linii j_kq i ego shirina na polovine vysoty Dn_L opredelyayutsya sootnosheniem mezhdu estestv. shirinoi linii n₀=8p²e²n²_kq/3m_ec³2,5^.10^-22n²_kq Gc, chastotoi stolknovenii n_st i doplerovskim ushireniem linii Dn_dopl = n_T^.n_kq/c (n_T - teplovaya skorost' atomov, m_e i e - massa i zaryad elektrona). Obychno polagayut, chto $\int_0^\infty \varphi_{kq}(\nu)d \nu = 1$ . Shirina linii n₀ opredelyaet harakternoe vremya zhizni atoma v vozbuzhdennom sostoyanii t₀~n₀^-1. Esli n₀>> n_st, to stolknoveniyami mozhno prenebrech' i osn. processom, opredelyayushim vzaimodeistvie lineichatogo izlucheniya s atomami, yavl. rasseyanie. Esli n₀<< n_st, za vremya t₀ uspevaet proizoiti mnogo stolknovenii. V etom sluchae energiya pogloshaemogo fotona pereraspredelyaetsya mezhdu chasticami gaza i osn. processom vzaimodeistviya sleduet schitat' pogloshenie.

V usloviyah lokal'nogo termodinamicheskogo ravnovesiya predpolagaetsya vypolnennym uslovie n₀<< n_st. Pri etom koeff. poglosheniya izlucheniya s chastotoi n vblizi chastoty n_kq:

$\mu_{k_q}(\nu)=\frac{\pi e^2}{m_{e}c}f_{k_q}N_{k}\left[exp\left(\frac{h \nu_{k_q}}{kT}\right)-1\right]\varphi_{k_q}(\nu),$

gde T - temp-pa gaza, N_k- koncentraciya atomov s zaselennym urovnem k. Pri hn_kq<<kT integral'nyi koeff. poglosheniya v linii ne zavisit ot N_k i opredelyaetsya koncentraciei atomov N_q s zaselennym nizhnim urovnem q:

$\int_0^\infty\mu_{kq}(\nu)dv \approx \frac{\pi e^2}{m_e c}f_{qk}N_q$

Pogloshenie v linii igraet vazhnuyu rol' v formirovanii optich. spektrov zvezd. Napr., zvezdy spektral'nogo klassa A imeyut vodorodnye linii poglosheniya N_a, N_b, H_g i dr., zvezdy klassa G - linii iona kal'ciya CaII i dr. Sravnivaya intensivnosti opredelennyh linii, mozhno opredelit' spektr. klass i, sledovatel'no, temp-ru zvezdy.

Fotopogloshenie proishodit pri svyazanno-svobodnyh perehodah, t. e. pri perehodah atomarnogo elektrona iz svyazannogo sostoyaniya v svobodnoe (yavlenie fotoeffekta ili fotononizacii, sm. Ionizaciya). Dlya fotoionizacii atoma s j-go urovnya energiya fotona hn dolzhna byt' bol'she ili ravna sootvetstvuyushei energii ionizacii e_j). Vyletayushii elektron priobretaet pri etom energiyu e_e = hn - e_j. Energiya ionizacii atoma vodoroda iz osn. sostoyaniya (K-sloi, sm. v st. Urovni energii, razdel II, p. 2) e_k 13,6 eV. Esli hn velika po sravneniyu s e_k, to EPS fotoeffekta malo. S umen'sheniem hn EPS rastet snachala proporcional'no n ^-3, a po mere priblizheniya hn k e_k - bystree, kak n ^-7/2. Pri hn < e_k ionizaciya K-elektronov stanovitsya nevozmozhnoi, i EPS rezko umen'shaetsya. Posleduyushie skachki EPS proishodyat pri hn = e_L, e_M i t. d. (e_L, e_M - energii ionizacii sootvetstvenno iz L- i M-sloev).

EPS fotoeffekta (s_fot) sil'no zavisit ot zaryada Ze yadra atoma. Dlya K-sloya m_ec² >> hn >> e_k (hn v eV):

$\sigma_{fot}(K) \approx 0,55 \cdot 10^{-16}Z^5\left(\frac{13,6}{h\nu}\right)^{7/2}$

pri $$h\nu \gtrsim m_e c^2$;$

$\sigma_{fot}(K) \approx 1,3 \cdot 10^{-33}Z^5\left(\frac{10^6}{h\nu}\right)$

Vklad posleduyushih sloev (L, M i t. d.) otnositel'no mal: s_fot(L)/s_fot(K) 0,2 i s_fot(M/s_fot(K) 0,05 (hn > e_K). Dlya scenki polnogo EPS fotoeffekta so vseh sloev v formulah dlya s_fot(K) nuzhno vvesti dopolnit. mnozhitel' 1,25. EPS fotoionizacii vodorodopodobnyh ionov (yadro s zaryadom Ze i 1 elektron):

$\sigma_{fot}(n) \approx 2,8 \cdot 10^{29}\frac{Z^4}{\nu^3n^5},$

gde n - znachenie glavnogo kvantovogo chisla v ishodnom sostoyanii.

Pogloshenie za schet fotoionizacii v mezhzvezdnoi srede so standartnym him. sostavom udobno opisyvat' summarnym EPS, pereschitannym na atom vodoroda (sm. ris. 2 v st. Ionizaciya).

Tormoznoe pogloshenie svyazano s izmeneniem sostoyaniya svobodnyh elektronov (svobodno-svobodnye perehody). Uskoryayas' v pole iona, takoi elektron mozhet poglotit' ili izluchit' foton. Tormoznoe pogloshenie sushestvenno zavisit ot funkcii raspredeleniya elektronov i ionov, nalichiya magn. polya i pr. Dlya ravnovesnoi plazmy s temperaturoi T koefficient tormoznogo poglosheniya izlucheniya s chastotoi n:

$\mu(\nu) \simeq \frac{3,6\cdot10^8Z^2N_eN_i}{m_\nu \nu^3T^{1/2}}\left[1-exp\left(-\frac{h\nu}{kT}\right)\right]\times g(\nu,T)sm^{-1},$

gde N_e, N_i - koncentracii elektronov i ionov, m_n - pokazatel' prelomleniya, g(n,T) -faktor Gaunta, priblizhenno ravnyi pri hn << kT_e

$\frac{\sqrt 3}{\pi}ln\left[5,0\cdot10^7\left(\frac{T^{3/2}}{Z\nu}\right)\right]$ pri T < 3,6^.10⁵Z²K;

$\frac{\sqrt 3}{\pi}ln\left[4,7\cdot10^{10}\left(\frac{T}{\nu}\right)\right]$ pri T > 3,6^.10⁵Z²K.

Tri rassmotrennyh tipa perehodov (svyazanno-svyazannye, svyazanno-svobodnye i svobodno-svobodnye) mogut soprovozhdat'sya ne tol'ko poglosheniem, no i generaciei fotonov. V sootvetstvii s Kirhgofa zakonom izlucheniya izluchat. sposobnost' (moshnost' izlucheniya) edinichnogo ob'ema veshestva s temp-roi T v edinichnom telesnom ugle i v edinichnom intervale chastot opredelyaetsya vyrazheniem:

e(n) = m_n²B_n(T) m(n),

gde B_n(T) - intensivnost' izlucheniya absolyutno chernogo tela v vakuume. Svobodno-svobodnye perehody otvetstvenny za nepreryvnoe izluchenie solnechnoi korony, zon NII (ionizovannogo vodoroda), planetarnyh tumannostei i t. p. S etim processom takzhe svyazyvayut izluchenie mnogih rentg. istochnikov.

Rasseyanie na svobodnom elektrone privodit k izmeneniyu energii i napravleniya rasprostraneniya fotona (sm. Komptonovskoe rasseyanie):

$h\nu' = h\nu\frac{1-\frac{\nu_e}{c}cos\Theta_1}{1-\frac{\nu_e}{c}cos\Theta_2 + \frac{h\nu}{\varepsilon_e}(1-cos\Theta_)}$

Zdes' n i n' - chastoty fotona do i posle rasseyaniya, q₁ i q₂ - ugly mezhdu skorost'yu elektrona v_e i volnovymi vektorami k₁ i k₂ padayushego i rasseyannogo fotona, q - ugol mezhdu k₁ i k₂, e_e - polnaya energiya elektrona. Pri rasseyanii na pokoyashemsya elektrone dlina volny izlucheniya uvelichivaetsya na l_c(l - cosq). Postoyannaya velichina l_s = h/(m_e^.c) = 2,426^.10^-10sm 0,024 $\AA$ naz. komptonovskoi dlinoi volny elektrona.

Pri l >> l_c izmeneniem energii fotona mozhno prenebrech'. V etom sluchae spravedlivo priblizhenie tomsonovskogo rasseyaniya i EPS s_T = (8p/3)(e²/m_es²)² 6,65^.10^-2sm² ne zavisit ot chastoty. Differencial'noe EPS rasseyaniya na ugol q:

$d\sigma=\frac{3}{8} \sigma_T(1+cos^2\theta)sin\theta d\theta$ ,

a diagramma rasseyaniya simmetrichna otnositel'no ploskosti q = 90.

Ris. 1. Diagramma rasseyaniya fotonov na
svobodnom elektrone dlya razlichnyh znachenii
otnosheniya u = hv/(m_ec²) (cifry u krivyh);
q - ugol, na kotoryi otklonyayutsya fotony
ot nachal'nogo napravleniya.

V obshem sluchae komptonovskogo rasseyaniya EPS opisyvaetsya f-loi Kleina - Nishiny - Tamma. Pri rasseyanii fotonov na pokoyashemsya elektrone EPS zavisit ot parametra y = hv/m_ec². S uvelicheniem v diagramma rasseyaniya teryaet simmetriyu i vytyagivaetsya vpered (ris. 1). Pri y << 1 sechenie stremitsya k tomsonovskomu predelu:

$\sigma_{kompt} \approx \sigma_T \left(1-2y+\frac{26}{5}y^2+\cdots \right)$

a pri y >> 1 ono umen'shaetsya po zakonu:

$\sigma_{kompt} \approx \frac{3}{16}\sigma_T \frac{1}{y}(1+2ln2y)$

Komptonovskoe rasseyanie igraet vazhnuyu rol' v formirovanii izlucheniya kosmich. rentg. i g-istochnikov. Pri etom chasto okazyvaetsya sushestvennym process, kogda v rezul'tate rasseyaniya na elektronah energiya fotonov uvelichivaetsya. Ego naz. obratnym komptonovskim rasseyaniem. Schitaetsya, chto obratnoe komptonovskoe rasseyanie submillimetrovogo i radioizlucheniya na relyativistskih elektronah kosmnch. luchei obespechivaet generaciyu fonovogo g-izlucheniya.

Pogloshenie foto v kulonovskom pole yadra s obrazovaniem elektron-pozitronnyh par proishodit pri uslovii, chto energiya fotonov prevyshaet 2m_es². Rodivshiesya elektron i pozitron priobretayut energiyu, ravnuyu hv - 2m_es². Pri y >> 2 sechenie etogo processa:

$\sigma_{par}(\nu) \approx \frac{3Z^{2} \sigma_{T} \alpha}{8\pi}\left(\frac{28}{3}ln2y-\frac{218}{27}\right)$

gde a = 1/137 - postoyannaya tonkoi struktury. Pri hv >> e_*(Z) = m_ec²/aZ^1/3 kulonovskoe pole yadra ekraniruetsya elektronami i v privedennom vyrazhenii dlya EPS velichinu v skobkah sleduet zamenit' na $$\frac{28}{9}ln \frac{183}{Z^{1/3}} - \frac{2}{27}$.$

Ris. 2. Koefficient oslableniya na edinicu massy
dlya ksenona. Krivaya m₀/r sootvetstvuet summarnomu
oslableniyu: m₀/r = m_fot/r + m_kompt/r + m_par/r,
gde r - plotnost', m_fot, m_kompt, m_par - koefficienty
oslableniya sootvetstvenno vsledstvie fotoionizacii,
komptonovskogo rasseyaniya i rozhdeniya par. Ih
zavisimost' ot energii fotonov e_g predstavlena
sootvetstvuyushimi krivymi. Pik poglosheniya v
oblasti e_g = 0,035 MeV sootvetstvuet
fotoionizacii s K-sloya.

Fotoionizaciya, komptononskoe rasseyanie i obrazovanie par yavl.osn. processami vzaimodeistviya rentgenovskih i g-fotonov s veshestvom. Na ris. 2 privedena zavisimost' ot energii EPS dlya ksenona, k-ryi chasto ispol'zuetsya v detektorah takogo izlucheniya. Pri hv < e₁ osn. processom yavl. fotoeffekt, pri e₁< hv < e₂- komptonovskoe rasseyanie n pri hv > e₂ - obrazovanie par. Dlya alyuminiya e₁ = 0,05MeV, e₂ = 15 MeV, dlya svinca e₁ = 0,5 MeV i e₂= 5 MeV. V oblasti nesk. MeV EPS vzaimodeistviya g-luchei s veshestvom imeet minimum.

Pogloshenie fotonov vsledstvie fotovozbuzhdeniya yader ili yadernogo fotoeffekta stanovitsya vazhnym pri dostatochno vysokih energiyah fotonov e = hv $\gtrsim 1 MeV$ . V pervom sluchae velichina hv ravna energii yadernogo perehoda, vo vtorom ona dolzhna prevyshat' nek-roe porogovoe znachenie. Secheniya yadernogo fotoeffekta rastut ot poroga i pri hv $\gtrsim 10 MeV$ imeyut maksimum - gigantskii rezonans. Nizhe privedeny energii maksimuma rezonansa e_maks i secheniya s_fot (v maksimume rezonansa) dlya nek-ryh yader.

	e_maks,_Mev	s_{fot, 10}-27 sm²
⁷Li	17,5	4,0
¹²C	22,5	8,3
¹⁶O	24,2	11,4
¹⁴N	24,0	2,8
²⁹Si	15,0	23,0

T. o., dlya fotonov s raznymi energiyami harakterny (yavl. osnovnymi) svoi opredelennye processy vzaimodeistviya s veshestvom. Esli pri malyh energiyah fotonov vzaimodeistvie zatragivaet atomy i molekuly v celom, to pri uvelichenii energii stanovyatsya sushestvennymi processy vzaimodeistviya s otdel'nymi chasticami (elektronami, yadrami) i processy rozhdeniya chastic. Obshaya shema, kachestvenno opisyvayushaya rol' togo ili inogo processa, predstavlena na ris. 3.

Ris. 3. Osnovnye processy vzaimodeistviya fotonov ravnyh energii e_g(dlin voln l) s veshestvom.

Lit.:
Beresteckii V. B., Lifshic E. M., Pitaevskii L. P., Relyativistskaya kvantovaya teoriya, ch. 1, M., 1968;
Grinberg M., Mezhzvezdnaya pyl', per. s angl., M., 1970;
Zel'dovich Ya. B., Novikov I. D., Relyativistskaya astrofizika, M., 1987;
Xayakava S., Fizika kosmicheskih luchei, per. s angl., M., 1973.

(I.G. Mitrofanov)

I. G. Mitrofanov, "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

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati