Астронет> Взаємодія випромінювання з речовиною

ВЗАЄМОДІЯ ВИПРОМІНЮВАННЯ З РЕЧОВИНОЮ - зводиться до сукупності елементарних процесів розсіювання (пружного і непружного), поглинання і генерації електромагнітного магн. випромінювання. Нижче розглядаються в основному процеси, що призводять до ослаблення випромінювання (про генерацію випромінювання см., Напр .. лінійчатим випромінювання , нетеплове випромінювання , мазерного ефект , гальмівне випромінювання ). Потік випромінювання з частотою v, що проходить через шар речовини, послаблюється через поглинання, пружного розсіювання убік і через непружного розсіяння. У разі оптич. випромінювання таке ослаблення зв. екстинкція.

Взаємодія (як окремі елементарні процеси, так і будь-яка їх комбінація) фотона з розсіює або поглинає часткою характеризується ефективним поперечним перерізом (ЕРС) s. Його можна визначити як відношення ймовірності взаємодії на одиниці шляху d П / dx до концентрації N частинок, з до-римі відбувається взаємодія:

ЕРС залежить від стану фотонів і частинок до і після взаємодії. Розрізняють диференціальне ЕРС, яке визначається ймовірністю такої взаємодії, при к-ром фотон і частка з фіксованих початкових станів переходять в певні кінцеві стану, і повне, або інтегральне, ЕРС - результат інтегрування диференціального ЕРС за всіма кінцевим станам. Повний ЕРС має розмірність площі (см2).

Ослаблення випромінювання можна характеризувати коеф. ослаблення інтенсивності випромінювання m (його часто наз. також коеф. поглинання); m виражається через ЕРС поглинання s погл і ЕРС розсіювання s расс: m = N (sпогл + s расс), пли, якщо випромінювання взаємодіє з різними сортами (i) частинок з концентраціями N i, то

де s i погл і s i рас - відповідні ЕРС для кожного сорту частинок. Ослаблення інтенсивності I випромінювання, що пройшов шар речовини товщиною l, описується виразом:

I (l) = I0 e - t (l),

де I 0 - інтенсивність вхідного в шар випромінювання. безрозмірна величина

наз. оптичної товщею шару. Часто m і t вводять окремо для кожного процесу взаємодії.

Осн. процесами В. і. з в. в космічних. умовах є: екстинкція світла на порошинки, поглинання і розсіяння в лініях, фотопоглинання, гальмівне поглинання, комптонівське і томсонівське розсіювання, народження пар, поглинання фотонів ядрами.

Екстинкція світла на космічних порошинки призводить до ослаблення блиску і до зміни спектра зірок - міжзоряного почервоніння (див. Також міжзоряний поглинання світла). Почервоніння відбувається через посилення екстинкції зі зменшенням довжини хвилі. Поряд з ЕРС екстинкцію часто характеризують фактором ефективності розсіювання Qpacc і фактором ефективності поглинання Qпогл (відносини відповідних ЕРС до геометричний. Перерізу сферич. Частки). У разі, коли довжина хвилі випромінювання l >> 2 p ma (a - розмір порошинки, m - показник заломлення речовини пилинки),

Таке розсіювання зв. релєєвського. Релєєвськоє розсіювання може відбуватися також на молекулах і атомах. Якщо крім розсіювання відбувається також поглинання випромінювання (показник m комплексний), вводиться фактор

де Im позначає уявну частину. Як видно з наведених формул, при досить великих l поглинання переважає над розсіюванням (Qпогл >> Qрасс).

Поглинання і розсіювання в лініях відбувається внаслідок переходів електронів в атомах з одного рівня енергії на інший (зв'язано-зв'язані переходи). Фотон з частотою v kq поглинається при переході електрона з нижнього атомного рівня енергії q, відповідного енергії e q, на верхній рівень k, відповідний енергії e k, e k - e q = hv kq. ЕРС поглинання (ослаблення) в лінії залежить від сили осцилятора даного переходу f kq (див. крива зростання ). Крім цього, воно залежить від ставлення числа атомів, у яких брало на нижньому рівні q є електрон, а верхній рівень k вільний, до повного числа атомів, т. Е. Від їх розподілу по енергіях (див., Напр., Бол'цмана розподіл ).

важливою характеристикою спектральної лінії , Від к-рій залежать процеси розсіювання і поглинання в лінії, явл. її профіль. Профіль спектр. лінії j kq і його ширина на половині висоти D n L визначаються співвідношенням між природ. шириною лінії n 0 = 8 p2e2 n 2kq / 3 m ec32,5. 10-22 n 2kq Гц, частотою зіткнень n ст і доплеровским розширенням лінії D n допл = n T. n kq / c (n T - теплова швидкість атомів, mе і е - маса і заряд електрона). Зазвичай вважають, що . Ширина лінії n 0 визначає характерне час життя атома в збудженому стані t0 ~ n 0-1. Якщо n 0 >> n ст, то зіткненнями можна знехтувати і осн. процесом, що визначає взаємодію лінійного випромінювання з атомами, явл. розсіювання. Якщо n 0 << n ст, за час t0 встигає статися багато зіткнень. У цьому випадку енергія поглинається фотона перерозподіляється між частинками газу і осн. процесом взаємодії слід вважати поглинання.

В умовах локального термодинамічної рівноваги передбачається виконаним умова n 0 << n ст. При цьому коеф. поглинання випромінювання з частотою n поблизу частоти n kq:

де Т - темп-pa газу, Nk- концентрація атомів з заселеним рівнем k. При hn kq << kТ інтегральний коеф. поглинання в лінії не залежить від Nk і визначається концентрацією атомів Nq з заселеним нижнім рівнем q:

Поглинання в лінії грає важливу роль у формуванні оптич. спектрів зірок. Напр., Зірки спектрального класу А мають водневі лінії поглинання Н a, Н b, H g і ін., Зірки класу G - лінії іона кальцію CaII і ін. Порівнюючи інтенсивності певних ліній, можна визначити спектр. клас і, отже, темп-ру зірки.

Фотопоглинання відбувається при зв'язано-вільних переходах, т. Е. При переходах атомарного електрона з зв'язаного стану у вільний (явище фотоефекту або фотононізаціі, см. іонізація ). Для фотоионизации атома з j -го рівня енергія фотона hn повинна бути більше або дорівнює відповідній енергії іонізації ej). Вилітає електрон набуває при цьому енергію ee = hn - ej. Енергія іонізації атома водню з осн. стану (K-шар, см. в ст. рівні енергії , Розділ II, п. 2) ek 13,6 еВ. Якщо hn велика в порівнянні з ek, то ЕРС фотоефекту мало. Зі зменшенням hn ЕРС зростає спочатку пропорційно n -3, а в міру наближення hn до ek - швидше, як n -7/2. При hn <ek іонізація K-електронів стає неможливою, і ЕРС різко зменшується. Наступні скачки ЕРС відбуваються при hn = e L, e M і т. Д. (EL, e M - енергії іонізації відповідно з L- і М-шарів).

ЕРС фотоефекту (sфот) сильно залежить від заряду Zе ядра атома. Для К-шару mec2 >> hn >> ek (hn в еВ):

при

Внесок наступних шарів (L, М і т. Д.) Відносно малий: s фот (L) / sфот (K) 0,2 і s фот (M / sфот (K) 0,05 (hn> eK). Для сценки повного ЕРС фотоефекту з усіх верств в формулах для s фот (К) потрібно ввести доповнить. множник 1,25. ЕРС фотоионизации водородоподобних іонів (ядро із зарядом Zе і 1 електрон):

де n - значення головного квантового числа в початковому стані.

Поглинання за рахунок фотоіонізації в міжзоряному середовищі зі стандартним хім. складом зручно описувати сумарним ЕРС, переліченим на атом водню (див. рис. 2 в ст. іонізація ).

Гальмівний поглинання пов'язано зі зміною стану вільних електронів (вільно-вільні переходи). Прискорюючись в поле іона, такий електрон може поглинути або випроменити фотон. Гальмівний поглинання істотно залежить від функцій розподілу електронів та іонів, наявності магн. поля та ін. Для рівноважної плазми з температурою Т коефіцієнт гальмівного поглинання випромінювання з частотою n:

де Ne, Ni - концентрації електронів та іонів, m n - показник заломлення, g (n, T)-фактор Гаунта, приблизно рівний при hn << kTe

при T <3,6. 105Z2K;

при Т> 3,6. 105Z2K.

Три розглянутих типу переходів (зв'язано-зв'язані, зв'язано-вільні і вільно-вільні) можуть супроводжуватися не тільки поглинанням, а й генерацією фотонів. Відповідно до Кирхгофа законом випромінювання ізлучат. здатність (потужність випромінювання) одиничного обсягу речовини з температурою Т в одиничному тілесному куті і в одиничному інтервалі частот визначається виразом:

e (n) = mn 2B n (T) m (n),

де B n (T) - інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла в вакуумі. Вільно-вільні переходи відповідальні за безперервне випромінювання сонячної корони, зон НII (Іонізованого водню), планетарних туманностей і т. П. З цим процесом також пов'язують випромінювання багатьох рентген. джерел.

Розсіювання на вільному електроні призводить до зміни енергії і напрямки поширення фотона (див. комптонівське розсіювання ):

Тут n і n '- частоти фотона до і після розсіювання, q 1 і q 2 - кути між швидкістю електрона v e і хвильовими векторами k1 і k2 падаючого і розсіяного фотона, q - кут між k1 і k2, e e - повна енергія електрона . При розсіянні на спочиваючому електроні довжина хвилі випромінювання збільшується на lc (l - cos q). Постійна величина l з = h / (m e. C) = 2,426. 10-10см 0,024 наз. комптонівської довжиною хвилі електрона.

При l >> lc зміною енергії фотона можна знехтувати. У цьому випадку справедливо наближення томсоновского розсіювання і ЕРС s Т = (8 p / 3) (e2 / mес2) 2 6,65. 10-2см2 не залежить від частоти. Диференціальне ЕРС розсіювання на кут q:

,

а діаграма розсіювання симетрична відносно площини q = 90.

Мал. 1. Діаграма розсіювання фотонів на
вільному електроні для різних значень
відносини у = hv / (mec2) (цифри у кривих);
q - кут, на який відхиляються фотони
від початкового напрямку.

У загальному випадку комптонівського розсіювання ЕРС описується ф-лій Клейна - Нішіни - Тамма. При розсіянні фотонів на спочиваючому електроні ЕРС залежить від параметра y = hv / mec2. Зі збільшенням v діаграма розсіювання втрачає симетрію і витягується вперед (рис. 1). При y << 1 перетин прагне до томсоновскому межі:

а при y >> 1 воно зменшується згідно із законом:

Комптонівське розсіювання грає важливу роль у формуванні випромінювання космічних. Рентген. і g-джерелами. При цьому часто виявляється істотним процес, коли в результаті розсіювання на електронах енергія фотонів збільшується. Його наз. зворотним комптонівським розсіюванням. Вважається, що зворотне комптонівське розсіювання субміліметрового і радіовипромінювання на релятивістських електронах космнч. променів забезпечує генерацію фонового g-випромінювання.

Поглинання фото в кулонівському полі ядра з утворенням електрон-позитронного пар відбувається за умови, що енергія фотонів перевищує 2mес2. Народились електрон і позитрон набувають енергію, рівну hv - 2mес2. При y >> 2 перетин цього процесу:

де a = 1/137 - стала тонкої структури. При hv >> e * (Z) = mec2 / aZ1 / 3 кулоновское поле ядра екранується електронами і в наведеному вираженні для ЕРС величину в дужках слід замінити на

Мал. 2. Коефіцієнт ослаблення на одиницю маси
для ксенону. Крива m 0 / r відповідає сумарному
ослаблення: m 0 / r = m фот / r + m Компт / r + m пар / r,
де r - щільність, m фот, m Компт, m пар - коефіцієнти
ослаблення відповідно внаслідок фотоіонізації,
комптонівського розсіювання і народження пар. їх
залежність від енергії фотонів e g представлена
відповідними кривими. Пік поглинання в
області e g = 0,035 МеВ відповідає
фотоионизации з К-шару.

Фотоіонізація, комптононское розсіювання і утворення пар явл.осн. процесами взаємодії рентгенівських і g -фотонов з речовиною. На рис. 2 приведена залежність від енергії ЕРС для ксенону, к-рий часто використовується в детекторах такого випромінювання. При hv <e 1 осн. процесом явл. фотоефект, при e 1 <hv <e 2 - комптонівське розсіювання н при hv> e 2 - утворення пар. Для алюмінію e 1 = 0,05МеВ, e 2 = 15 МеВ, для свинцю e 1 = 0,5 МеВ і e 2 = 5 МеВ. В області дек. МеВ ЕРС взаємодії g-променів з речовиною має мінімум.

Поглинання фотонів внаслідок фотозбудження ядер або ядерного фотоефекту стає важливим при досить високих енергіях фотонів e = hv . У першому випадку величина hv дорівнює енергії ядерного переходу, в другому вона повинна перевищувати недо-рої порогове значення. Перетину ядерного фотоефекту ростуть від порога і при hv мають максимум - гігантський резонанс. Нижче наведені енергії максимуму резонансу e макс і перетину s фот (в максимумі резонансу) для деяких ядер.

e

макс,
МеВ s фот,
10 -27
см2 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

Т. о., Для фотонів з різними енергіями характерні (явл. Основними) свої певні процеси взаємодії з речовиною. Якщо при малих енергіях фотонів взаємодія зачіпає атоми і молекули в цілому, то при збільшенні енергії стають істотними процеси взаємодії з окремими частинками (електронами, ядрами) і процеси народження частинок. Загальна схема, якісно описує роль того чи іншого процесу, представлена ​​на рис. 3.

Літ .:
Берестецкий В. Б., Ліфшиц Е. М., Пітаєвський Л. П., Релятивістська квантова теорія, ч. 1, М., 1968;
Грінберг М., Міжзоряний пил, пров. з англ., М., 1970;
Зельдович Я. Б., Новіков І. Д., Релятивістська астрофізика, М., 1987;
Xаякава С., Фізика космічних променів, пров. з англ., М., 1973.

(І.Г. Митрофанов)