МЕХАНИЗМЫ КОСМИЧЕСКОГО РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ

Тема: Линейчатый спектр радиоизлучения атомов и молекул cm

11.1. Введение

В целом, линейчатый спектр менее богат в радиодиапазоне чем в оптическом. Это определяется тем, что для образования радиолинии в атоме или молекуле должны существовать весьма близко расположенные энергетические уровни, переходы между которыми к тому же разрешены правилами отбора (для обеспечения достаточной интенсивности линни в объекте не слишком больших размеров). Кроме того вероятность спонтанного перехода и соответственно мала в радиодиапазоне. Кроме того в радиодиапазоне поглощение в линии при равновесном (больцмановском) распределении атомов по состоянии происходит почти полная компенсация поглошения в линии вынужденным излучением, что также является часто причиной малой интенсивности линии.

С другой стороны линейчатый спектр несет большой объём информации, недоступной при анализе излучения в континууме, и даже сравнительно немногочисленные радиошинии дали весьма весомый вклад в диагностику материи в космосе. Практическитолько анализ линейчатого спектра дает информацию о движении вещества (эффект Допплера) и о химическом составе исследуемого объекта. Анализ контуров линий и отношения их интенсивностей является важным независимым источноком данныых о температуре и плотности вещества. Во многих случаев эта информация является унимкальной (особенно в областях низкой температуры и.

Зеемановское расщепление растет и поэтому анализ магнитных полей, базирующийся на анализ распределения поляризации в контурах линий является эффективным методом измерения даже весьма слабых полей, по чяувствительности на много порядков превосходя оптические наблюдения. Говоря о преимуществах радоиспектроскопии в линиях, следует отметить, что радионаблюдения, благодаря прозрачностью материи для радиоволн, позоволяют исследовать вселенную там, где физические процессы в космосе скрыты ``темной'' материей от глаз исследователя, ведущего оптические наблюдения.

Как бы то ни было в настоящее время радиоастрономии доступны сотни радиолиний, большинство из которых излучаются молекулами. Значительная часть этих линий принадлежит коротокволновому миллиметровому диапазону.

11.2. Сверхтонкая структура энергеических уровней атома водорода

Начнем знакомство с радиоспектроскопией с анализа возможных линий самого распространенного в природе элемента --- водорода. Структра энепгетических линий водорода представлена схематически на Рис.1. Существуют три типа комбинаций уровней водорода, которые могли бы быть ответственны за переходы, порождающие линейчатый спектр космического радиоизлучения. Остановимся на каждом из них в отдельности.

Переходы сверхтонкой структоры основного (то есть самого низко расположенного) уровня. Эти переходы соответствуют изменению взаимного расположения спинов ядра (протона) и электрона на орбите на противоположные, тоесть параллельное и антипараллельное. При этом суммарный спиновй момент, описываемый квантовым числом F испытывает скачок:

Рисунок 11.3 Структура энергетических уровней атома водорода Энергия, излучаемая при некотором конкретном разделении уровней (частоты ) определяется верятностными коэффициентами Эйнштейна и числом электронов в соответсвующем состоянии:

Первый член в правой части этого выражения представляет спонтанные переходы, второй --- переходы с поглощением излучения и третий --- вынужденное излучение.

11.3. Тонкая структура энергетических уровнй атома водорода

11.4. Переходы между верхними энергетическими уровнями атома водорода

Другой группой энергетических уровней, переходы между которыми могут порождать радиолинии, являются верхние уровни основной энергетической структуры атома водорода. Это определяется тем обстоятельством, что расстояние по шкале энергий убывает с главным квантьвым числом n как . Это приводит к простой оценочной формуле для длины волны, излучаемой при переходах между соседним энергетическими уровнями:

Линии такой природы всантиметровом диапазоне волн были действительно обнаружены у ряда туманностей в нашей Галактике. Более того, оказалось, что аналогичные по своей природе линии могут проявляться не только у атома водорода, но и у других атомов. При этом один электрон оказывается удаленным от ядра атома, окруженного близко расположенной к нему системой электронов, которые в совокупности оказываются эквивалентны как бы единичному заряду.

Рассматриваемая система линий является разрешенной, причем вероятность переходов возрастает с номером уровня n, посокольку при этом растет кратность уровня, то есть его статистический вес.

11.5. Оценка и роль населенностей уровней

11.4. Уравнение переноса в линиях

Уравнение переноса позволяет рассчитать интенсивность и ожидаемый контур линии, если достаточно хорошо известны структура и физические условия объекта, где возникает исследуемая линия. Уранение переноса записывается обычным, известным нам образом:

или для яркосной температуры:

где это излучательная способность (мощность излучения, генерируемого единичным объемом в единичном телесном угле) и --- оптическая глубина:

гдe --- коэффициент поглощения радиоволн в плазме.

В случае спетральных линий все коэффициенты, естественно, являются быстро меняющимися функциями частоты, определяемыми, в первуюочередь, особенностями квантово-механической структурой излучающего атома или молекулы. Так, так называемая естественная ширина линии определяется вероятным временем жизни атома в состоянии, из котрого исходит излучение. Эта величина изменяется в широких пределах. Для наиболее известной линии водорода естественное время жизни составляет много миллионов лет и ``исходная'' естественная ширина может считаться бесконечно малой. В таких случаях время жизни атома в исходном сотоянии и соответствующая ширина линии может определяться частотой столкновений с другими частицами. Для линии тонкой структуры водорода Ъ(см. выше) верхний уровень имеет весьма малое время жизни , которое определяется разрешенным переходом в состояние c излучением линиии . Отсюда естественная ширина линии прядка , что превосходит 1 фактором в окончательном значении ширины этой линии.

В ряде случаев на ширишу линии существенно может влиять эффект Штарка --- расширение линии под действием электрических полей плазмы. Этот эффект перемежается с эффектом столкновений.

Наиболее существенным является влияние на контур линии эффекта Допплера. Для отдельного атома он просто смещает естественный контур линии. Однако при расчете коэффициента излучения или поглощения мы имеем дело уже с совокупностью атомов. Здесь имеют дело с тремя основными эффектами, расширяющими линию:

--- Тепловыми движениями атомов.

--- Хаотическими турбулентными движениями.

--- Макроскопическими движениями вещества в исследуемом объекте.

Если нам известны структура и физическое состояние вещества в объекте исследования, то мы с помощью уравнений переноса и данными кваниовой механики можем расчитать ожидамый контур линии и сравнить его с наблюдениями. В действительности нас обычно интересует в первую очередь решение обратной задачи --- нахождения условий в объекте из анализа контуров линий.

11.5. Эффект Зеемана Как известно, в присутствии магнитного поля происходит расщепление линий на несколько компонент с характерной поляризацией, зависящей от направления поля. Величина расщепления (расстояние между соседними компонентами) пропорциональна напряженности поля, а их число и коэффициент пропорциональности --- от квантовой стуктуры соответствующих энергетичечких уровней. Таким образом, анализ контуров и распределения поляризации в линиях дает наиболее мощный в астрофизике метод измерения космических магнитных полей.

В простейшем случае так называемого нормального эффекта Зеемана линия расщепляется на три компоненты: центральная, с линейной поляризацией, остается несмещенной по частоте относительно исходной сатоты линии; две другие имеют круговую поляризацию противоположных направлений вращения и смещены относительно центральной частоты линии в разные стороны на величину

где величина расщепления рассчитывается в ; гирочастота .

Интенсивность центральной --- -компоненты зависит от силы поперечного поля, в то время как две другие --- -компоненты определяются продольным полем. Физически расщепление линий в магнитном поле можно представить как результат взаимодействия магнитного момента, обусловленного вращением (спином) зарядов атома с полем, которое ориентирует их положение. Так для основного состояния атома водорода орбитальный момент равен нолю (S-состояние) и весь магнитный момент определяется спинами протона и электрона, которые могут быть направлены параллельно (кватовое число F=1) или антипараллельно (F=0). Согласно правилам квантования первый из этих уровней в магнитном поле может расщепиться на три, соответсвующих возможным фиксированным положениям магнитного момента атома: поперек поля и два противоположных расположения --- вдоль направления магнитного поля.

В соответствии со сказанным три компоненты в линии водорода, возникающие под действием магнитного поля H имеют частоты:



About this document ...

This document was generated using the LaTeX2HTML translator Version 95 (Thu Jan 19 1995) Copyright © 1993, 1994, Nikos Drakos, Computer Based Learning Unit, University of Leeds.

The command line arguments were:
latex2html lesson11.tex.

The translation was initiated by Susanna Tokhchukova on Втр Июл 23 20:58:15 MSD 2002