Астронет > Рекомбинация (в газе, плазме)

Астронет: Н. Г. Бочкарев, Л. А. Вайнштейн, "Физика Космоса", 1986 Рекомбинация (в газе, плазме)
http://variable-stars.ru/db/msg/1202770

Рекомбинация (в газе, плазме)

- процесс, обратный ионизации, состоит в захвате ионом свободного электрона. Р. приводит к уменьшению заряда иона или к превращению иона в нейтральный атом (или молекулу). Возможна также Р. электрона и нейтрального атома (молекулы), приводящая к образованию отрицательного иона, и в более редких случаях - Р. отриц. иона с образованием двух- или трехкратно заряженного отриц. иона. Вместо электрона в нек-рых лучаях могут выступать др. элементарные частицы, напр. мезоны (обычно, $\mu$ -мезон), создавая мезоатомны или мезомолекулы.

Электрон может рекомбинировать на любой незаполненный уровень энергии в атоме, молекуле, ионе. Р. происходит тем чаще, чем большее число рекомбинирующих частиц каждого сорта (электронов, ионов) содержится в ед. объема среды. Вероятность Р. тем выше, чем дольше рекомбинирующие частицы находятся друг около друга, т.е. скорость Р. определяют самые медленные частицы. Поэтому скорость Р. растет с уменьшением темп-ры.

В астрофизич. условиях наиболее часто встречается случай, когда освобожденная при этом энергия E уносится фотоном:
$h\nu=E={mv^2\over 2}+\chi_n$ , (1)
где $h\nu$ - энергия фотона, $mv^2/2$ - кинетич. энергия электрона до взаимодействия с ионом, $\chi_n$ - энергия связи электрона в атоме (молекуле, ионе) для уровня, к-рый рекомбинирует электрон. Такой процесс наз. радиационной Р.

Поскольку величина кинет. энергии свободного электрона не квантована, т.е. может принимать любые неотриц. значения, излучение, возникающее при Р., имеет непрерывные сректр. Возбужденные атомы, образующиеся при Р., путем последующих переходов с одного уровня энергии на другой могут давать эмиссионный линейчатый спектр излучения. Такой механизм ответственен за свечение водорода в зонах HII (см. Межзвездный газ).

Радиац. Р. происходит с нек-рой вероятностью при всяком сближении пары рекомбинирующих частиц без к.-л. дополнительного внеш. воздействия (спонтанно). Скорость радиац. Р., т.е. количество актов Р. с образованием иона с зарядом i на уровне n в 1 см³ среды в 1 с, равна:
$N_e N_{i+1}\alpha_{i,n}$ , (2)
где N_e - концентрация электронов, N_i+1 - концентрация ионов с зарядом i+1, $\alpha_{i,n}$ - коэфф. радиац. Р. с образованием иона с зарядом i на уровне n. Практически всегда распределение электронов по скоростям соответствует Максвелла распределению. В этом случае $\alpha_{i,n}$ зависит от темп-ры электронов.

Сумма коэфф. Р. на все уровни определяет полную скорость образования атома или иона за счет радиац. Р.
$\alpha_{полн,i}=\sum\limits_n \alpha_{i,n}$ . (3)

Для самого обильного элемента во Вселенной - водорода - при темп-ре $T<1,5\cdot 10^5$ К скорость $\alpha_{полн}$ примерно пропорциональна $T^{-1/2}$ .

Помимо спонтанного процесса возможен индуцированный (или вынужденный) элементарный радиац. процесс. Индуцированная радиац. Р. происходит при воздействии на частицы фотона, к-рый имеет ту же частоту, что и фотон, испускаемый во время элементарного процесса Р. [ф-ла (1)]. Скорость индуцированной радиац. Р. пропорциональна не только концентрациям каждого из сортов рекомбинирующих частиц, но и плотности эл.-магн. излучения на данной частоте. Индуцированная Р. существенна в местах с сильным полем эл.-магн. излучения, напр. в звездных атмосферах. В межзвездной средедостаточно учитывать только спонтанную Р.

Возможна Р. и без излучения, когда избыточная энергия передается третьей частице (трехчастичная Р.). Такой процесстребует одновременного столкновения сразу трех частиц, т.е. существен только в плотной среде, к тому же при достаточно низких темп-рах, чтобы сталкивающиеся частицы медленно двигались и успели провзаимодействовать при столкновении. Поэтому в разреженных атмосферах звезд и в межзвездном газе трехчастичная Р. в большинстве случаев не важна, но в более плотных и достаточно золодных средах она играет осн. роль. Возможен еще один тип Р. - т.н. диэлектронная Р., связанная с резонансным взаимодействием электрона и иона. При диэлектронной Р. электрон захватывается на возбужденный уровень и передает свою энергию др. электрону того же иона. В результате образуется атом (или ион с зарядом на единицу меньше), у к-рого возбуждены два электрона. Такое состояние явл. автоионизационным, т.е. атом может распадаться снова на ион и свободный электрон. Если, однако, раньше произойдет испускание фотона, то атом перейдет в "устойчивое" состояние, т.е. произойдет Р.

Очевидно, диэлектронная Р. не может происходить с "голым" ядром, в частности она невозможна для водорода. Коэфф. диэлектронной Р. $\alpha^\partial_{полн,i}\sim T^{-3/2} \exp(-\Delta E/kT)$ , где $\Delta E$ - энергия возбуждения иона i+1. Экспоненциальный множитель отражает тот факт, что рекомбинирующий электрон должен обладать достаточно большой энергией, чтобы было возможно возбуждение второго электрона. Захват электрона при диэлектронной Р. происходит без одновременного испускания фотона. Вероятность данного процесса намного выше, чем вероятность радиац. захвата. Поэтому во многих случаях $\alpha^\partial \gg \alpha$ , если только темп-ра достаточно велика и экспоненциальный множитель не слишком мал. В отличие от радиац. Р., диэлектронная Р. заселяет в основном высоковозбужденные уровни. Это может заметно повлиять на интенсивность линий, возникающих при переходах с этих уровней. С другой стороны, при больших плотностях среды атомы, находящиеся на высоких уровнях энергии, с большой вероятностьюмогут быть снова ионизованы. Поэтому роль диэлектронной Р. с ростом концентрации рекомбинирующих частиц падает.

Сказанное выше относилось в основном к атомарным ионам. В случае молекул также возможна радиац. Р., однако обычно гораздо более эффективна диссоциативная Р. - процесс, при к-ром присоединение электрона к молекулярному иону или молекуле сопровождается развалом (диссоциацией) молекулы на две или более частей.

(Н.Г. Бочкарев, Л.А. Вайнштейн)

Н. Г. Бочкарев, Л. А. Вайнштейн, "Физика Космоса", 1986
Глоссарий Astronet.ru