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 Xz 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 Xz oboznachaetsya nz= N(X,z)/N(X), gde - summarnaya koncentraciya ionov Xz.
Znacheniya nz i zavisimost' nz
ot temp-ry [nz(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:
. (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:
. (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 Ne
i ne zavisit ot harakteristik elementarnyh processov ionizacii i rekombinacii. Pri
etom nz dayutsya Saha
formuloi:
gde
(3)
i gz - energiya ionizacii i statistich.
ves iona Xz (tochnee, summarnyi statistich. ves urovnei
s energiei ). Faktor S mozhno zapisat' v vide
, (4)
gde - temp-ra v eV ( K). Otsyuda vidno,
chto pri vseh plotnostyah i temp-rah, predstavlyayushih fiz. interes, S chrezvychaino
veliko.
Pri z >1 f-ciya nz(T) s rostom T snachala
rastet za schet ionizacii ionov s z' < z, a zatem ubyvaet za schet ionizacii
ionov
s Xz, v rezul'tate k-roi voznikayut iony bolee vysokoi
kratnosti. Chislo ionov Xz+1 stanovitsya bol'she, chem
chislo ionov Xz pri T>Tz,
gde
i . (5)
Neravenstvo (5) svyazano s tem, chto pri privychnyh laboratornyh plotnostyah plazmy veroyatnost'
stolknoveniya treh chastic namnogo men'she, chem dvuh. Pri
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 100, sm. Rekombinacionnye
radiolinii). I. r. opredelyaetsya balansom udarnoi ionizacii i dvuhchastichnoi
rekombinacii - izluchatel'noi (radiacionnoi) i dielektronnoi. Pri izluchatel'noi rekombinacii
, (6)
t.e. izbytok energii unositsya fotonom . Dielektronnaya rekombinaciya
- t.n, rezonansnyi process, v k-rom izbytok energii idet na vozbuzhdenie iona Xz+1
iz osn. sostoyaniya v sostoyanie , a elektron
e- zahvatyvaetsya na k.-l. uroven' nl. V rezul'tate
obrazuetsya
dvukratno vozbuzhdennyi ion Xz**, k-ryi mozhet pereiti
v obychnoe vozbuzhdennoe sostoyanie Xz*, ispustiv foton
:
.
(7)
Poskol'ku processy (6), (7) i udarnaya ionizaciya ne yavl. vzaimno obratnymi, LTR pri
nizkoi plotnosti ne imeet mesta. Pri etom otnoshenie nz+1/nz
zavisit ne tol'ko ot makroparametrov, no i ot harakteristik elementarnyh processov.
V predele nizkoi plotnosti (KP):
, (8)
gde qi - skorost' ionizacii, a
i qkv - skorosti (chislo aktov v ed. vremeni) izluchatel'noi
i dielektronnoi rekombinacii na vse urovni iona Xz.
Velichina sootvetstvuet velichine
vvedennoi v st. Rekombinaciya. V otlichie ot
(3) raspredelenie (8) ne zavisit ot Ne, poskol'ku
skorosti
ionizacii i rekombinacii teper' odinakovo zavisyat ot Ne
(oni proporcional'ny Ne). V usloviyah zhe LTR preobladaet
trehchastichnaya rekombinaciya, ee skorost' .
Ionizacionnye krivye nz(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 Ne vstupaet v igru trehchastichnaya rekombinaciya, nz+1/nz umen'shaetsya (tem sil'nee, chem bol'she Ne), t.e. ionizacionnye krivye nz(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 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 k temp-re T, pri k-roi koncentraciya ionov Xz maksimal'na, zavisit ot sootnosheniya skorostei processov. Skorost' ionizacii ubyvaet s rostom z. Poetomu velichina , kak pravilo, ubyvaet s rostom z. Dlya vodorodo- i geliepodobnyh ionov v KP pri z >20 znachenie 4 i 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 , gde Te - 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 Te. 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
Publikacii s klyuchevymi slovami:
ionizacionnoe ravnovesie - ionizaciya - rekombinaciya
Publikacii so slovami: ionizacionnoe ravnovesie - ionizaciya - rekombinaciya | |
Sm. takzhe:
Vse publikacii na tu zhe temu >> |