Astronet > Teplovoe izluchenie

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

Na saite

Astrometriya

Astronomicheskie instrumenty

Astronomicheskoe obrazovanie

Astrofizika

Istoriya astronomii

Kosmonavtika, issledovanie kosmosa

Lyubitel'skaya astronomiya

Planety i Solnechnaya sistema

Solnce

Teplovoe izluchenie

- el.-magn. izluchenie, generiruemoe za schet energii teplovogo dvizheniya chastic izluchayushego tela. T.i. tel udovletvoryaet osn. zakonu Kirhgofa - otnoshenie izluchayushei sposobnosti tela k ego pogloshayushei sposobnosti est' universal'naya funkciya temperatury, ne zavisyashaya ot fiz. i geometrich. struktury tela. T.i. v osnovnom generiruetsya elektronami. Harakternoi osobennost'yu T.i. yavl. eksponencial'nyi spad intensivnosti na bol'shih chastotah $\nu$ :
$I_\nu \sim e^{-h\nu/kT} , h \nu\gg kT$ . (1)

Chernotel'noe izluchenie.

Vazhnym chastnym sluchaem T.i. yavl. izluchenie absolyutno chernogo tela (chernotel'noe izluchenie), dlya k-rogo koeff. poglosheniya $\alpha^T_\nu=1$ na vseh chastotah. Intensivnost' takogo izlucheniya $B_\nu$ opredelyaetsya Planka zakonom izlucheniya:
$B_\nu (T) = {2h\nu^3\over {c^2}} {1\over {e^{h\nu/kT} -1}}$ . (2)
Pri $h \nu\gg kT$ eto vyrazhenie perehodit v f-lu Vina: $B_\nu (T) = {2h\nu^3\over {c^2}} \exp(-h\nu/kT)$ , a pri $h \nu\ll kT$ - v Releya-Dzhinsa zakon izlucheniya. Esli koeff. poglosheniya tela $\alpha^T_\nu <1$ , no ne zavisit ot chastoty, to intensivnost' izlucheniya ravna $aB_\nu (T)$ , gde postoyannaya a < 1. Etot sluchai naz. izluchenie serogo tela.

Esli istochnikom izlucheniya yavl. plazma, v k-roi elektrony i tyazhelye chasticy (atomy, iony) harakterizuyutsya razlichnoi temperaturoi, to v f-le (2) pod T nado ponimat' elektronnuyu temperaturu.

V sluchae neodnorodnogo istochnika vyhodyashee iz nego izluchenie yavl. integralom (summoi) po oblastyam s razlichnymi temp-rami. Obychno v uzkoi spektral'noi oblasti takoe izluchenie mozhno opisat' f-loi (2) s nekotoroi effektivnoi temp-roi.

Spektr chernotel'nogo izlucheniya ne zavisit ot him. sostava tela i ot prirody fiz. processov v ishluchayushem ob'eme. Bolee togo, eto izluchenie zavisit ne ot ob'ema tela, a lish' ot velichiny ego poverhnosti. Chernotel'noe izluchenie imeet mesto pri termodinamicheskom ravnovesii izlucheniya s veshestvom. Dlya ravnovesiya neobhodimo, chtoby polnaya sistema - veshestvo i izluchenie - byla zamknuta, t.e. vyhod izlucheniya dolzhen sostavlyat' prenebrezhimo maluyu chast' ot ego kolichestva v ob'eme sistemy. Eto vozmozhno lish' v tom sluchae, kogda foton uspevaet mnogokratno poglotitsya i pereizluchits'ya, prezhde chem dostignet poverhnosti tela, t.e. na lyuboi chastote $\tau=\alpha_\nu l$ . Zdes' l - harakternyi razmer tela, $\alpha_\nu$ - koeff. poglosheniya na ed. dliny; velichina $\tau$ naz. optich. glubinoi (opticheskoi tolshei) tela (na chastote $\nu$ ). Poskol'ku $\alpha_\nu$ proporcionalen plotnosti ili kvadratu plotnosti, uslovie $\tau\gg 1$ vypolnyaetsya pri ochen' bol'shih plotnostyah ili razmerah izluchayushih tel.

Spektr T.i. dazhe odnorodnogo opticheski tolstogo ( $\tau\gg 1$ ) sloya plazmy mozhet sushestvenno otlichats'ya ot chernotel'nogo, esli v perenose izlucheniya sushestvennuyu rol' igraet rasseyanie izlucheniya, t.k. v etom sluchae fotonam s raznoi energiei sootvetstvuet raznaya veroyatnost' vyhoda iz sloya.

Izluchenie opticheski tonkoi plazmy ( $\tau\ll 1$ ).

Drugim predel'nym sluchaem T.i. yavl. izluchenie plazmy, vesheshstvo k-roi nahoditsya pribl. v termodinamich. ravnovesii, no izluchenie svobodno iz nee vyhodit. Eto sootvetstvuet opticheski tonkoi ( $\tau\ll 1$ ) plazme v lokal'nom termodinamich. ravnovesii (LTR). V otlichie ot chernotel'nogo izlucheniya intensivnost' i spektr izlucheniya opticheski tonkoi plazmy sushestvennym obrazom zavisit ot ee sostava i ionizac. sostoyaniya, a takzhe ot veroyatnostei (sechenii) konkretnyh processov generacii izlucheniya. Pri LTR raspredelenie elektronov i dr. chastic opisyvaetsya Maksvella raspredeleniem , a raspredelenie atomov i ionov po vozbuzhdennym sostoyaniyam ikratnostyam ionizacii - Bol'cmana raspredeleniem i Saha formuloi. T.i. pomimo nepreryvnogo spektra vklyuchaet spektral'nye linii (sm. takzhe Lineichatoe izluchenie).

Obshim sv-vom lyubogo mehanizma T.i. yavl. eksponencial'nyi spad na bol'shih chastotah (f-la 1). Odnako mnozhitel' pered eksponentoi dlya razlichnyh mehanizmov sushestvenno razlichen. Nepreryvnyi spektr T.i. opticheski tonkoi goryachei plazmy obuslovlen gl. obr. tormoznym izlucheniem i fotorekombinaciei (sm. Rekombinaciya) elektronov na polozhit. ionah. V holodnoi plazme pri kT <0,5 eV igrayut rol' tormoznoe izluchenie na neitral'nyh atomah i otricat. ionah i fotozahvat elektrona s obrazovaniem otric. iona. Dlya ocenki intensivnosti nepreryvnogo izlucheniya elektronov v pole polozhit. ionov chasto ispol'zuetsya t.n. priblizhenie Kramersa, v k-rom pole iona predpolagaetsya chisto kulonovskim (t.e. polem tochechnogo zaryada), a zadacha ob izluchenii reshaetsya metodom klassich. elektrodinamiki s ispol'zovaniem principa sootvetstviya. V priblizhenii Kramersa elektron s energiei E v pole iona ispuskaet izluchenie (v intervale energii fotonov ot 0 do E), intensivnost' k-rogo ne zavisit ot chastoty. S uchetom maksvellovskogo raspredeleniya po energiyam intensivnost' tormoznogo izlucheniya $I_{\nu t}$ na ionah s zaryadom Z iz ed. ob'ema plazmy s temp-roi T v intervale 1 Gc i ed. telesnogo ugla:
$I_{\nu t}=I_0 e^{-h\nu/kT}$ ,
$I_0=N_e N_Z {32 \sqrt{\pi} a_0^3 Ry Z^2 \over {3\sqrt{3} \cdot 137^3}} \left( {Ry\over {kT}} \right)^{1/2}$ , (3)
gde $a_0=\hbar^2/m_e e^2$ - pervyi borovskii radius, $Ry=e^2/2a_0=13,6$ eV - energiya ionizacii atoma vodoroda (postoyannaya Ridberga), $1/137=e^2/\hbar c$ - postoyannaya tonkoi struktury.

Pri fotorekombinacii na n-i uroven' polozhitel'nogo iona ispuskaetsya foton s energiei $h\nu=E+h\nu_n$ , gde $h\nu_n = E_n$ - energiya urovnya (otschitannaya ot granicy ionizacii). Pri $\nu > \nu_n$ intensivnost' ubyvaet kak $\exp[-h(\nu - \nu_n)]$ . T.o., spektr rekombinac. izlucheniya predstavlyaet soboi sovokupnost' "zubcov", kazhdyi iz k-ryh imeet rezkii krai i primykaet k granice sootvetstvuyushei spektral'noi serii lineichatogo spektra. Veroyatnost' rekombinacii na n-i uroven' (t.e. vysota zubca) s rostom n ubyvaet (~ 1/n), zubcy sgushayutsya i, nakonec, slivayutsya.

Summarnaya intensivnost' tormoznogo i rekombinac. izlucheniya elektronov s temp-roi T na ionah s zaryadom Z v priblizhenii Kramersa daetsya f-loi:
$I_{\nu t}=I_0\; e^{-h\nu/kT} \left[ 1+\sum\limits_n {2 Q E_n^{3/2} e^{E_n/kT}\over {ZRy^{1/2} kT}} \right]$ . (4)
Zdes' summa beretsya po urovnyam n iona s zaryadom Z-1, dlya k-ryh $E_n \le h\nu$ ; faktor Q=1 dlya vozbuzhdennyh urovnei i dlya osn. sostoyaniya atomov s odnim elektronom na nezapolnennoi obolochke, a dlya ostal'nyh zavisit ot chisla elektronov i elektronnoi konfiguracii. Pri $h\nu = E_n$ v $I_\nu$ nachinaet davat' vklad novyi uroven' - poyavlyaetsya zubec, vysota k-rogo $\sim E_n^{3/2} / Z\sim Z^2/n^2$ . S rostom temp-ry zubcy sglazhivayutsya i, voobshe, rol' rekombinac. izlucheniya padaet. No pri etom mozhet "vklyuchat'sya" rekombinaciya na iony s bolee vysokim znacheniem Z.

V kosmich. plazme nepreryvnyi spektr vklyuchaet tormoznoe i rekombinac. izluchenie na ionah razlichnyh elementov. Tormoznoe izluchenie svyazano tol'ko s ionami H⁺ i He²⁺, vklad bolee tyazhelyh elementov mal. Rekombinac. izluchenie na tyazhelyh elementah mozhet byt' sushestvennym, esli kT< I_Z,a, gde I_Z,a - energiya ionizacii iona Z elementa a.

K T.i. opticheski tonkoi plazmy v LTR otnosyatsya optich. izluchenie i radioizluchenie koron Solnca i zvezd, mezhzvezdnogo gaza v oblastyah HI i HII, poskol'ku ono obuslovleno teplovymi elektronami.

Izluchenie opticheski tolstoi plazmy ( $\tau > 1$ ).

S uvelicheniem optich. tolshi izluchayushego ob'ema proishodit perehod ot izlucheniya opticheski tonkoi plazmy v LTR k chernotel'nomu izlucheniyu. Pri etom proishodit svoego roda nasyshenie. Intensivnost' izlucheniya pri $\tau > 1$ perestaet rasti s uvelicheniem plotnosti i ob'ema V (dlya opticheski tonkoi plazmy intensivnost' nepreryvnogo spektra proporcional'na $N_e^2 l$ , gde N_e - koncentraciya elektronov). Etot perehod proishodit neravnomerno po spektru. Koeff. poglosheniya v liniyah namnogo bol'she, chem v nepreryvnom spektre, tak chto perehod k chernotel'nomu izlucheniyu nachinaetsya v liniyah. Kogda optich. tolsha v centre linii $\tau_L$ dostigaet 1, intensivnost' v etoi tochke spektra stanovitsya blizkoi k chernotel'noi pri dannoi temp-re. Pri dal'neishem roste $\tau_L$ intensivnost' v centre linii prakticheski ne menyaetsya, no liniya stanovitsya shire (sm. Krivaya rosta). Kogda optich. tolsha v kontinuume $\tau_c$ priblizhaetsya k 1, $\tau_L$ uzhe nastol'ko velika, chto liniya prakticheski slivaetsya s kontinuumom. Pri $\tau_c >1$ izluchenie vo vsem spektre stanovitsya chernotel'nym.

V real'nyh usloviyah, esli optich. tolsha $\tau \gg 1$ , izluchenie vyhodit iz sloya, optich. glubina k-rogo $\Delta\tau\sim 1$ . Harakteristiki izlucheniya (napr., effektivnaya temp-ra) yavlyayutsya nek-rym srednim po sloyu. Pri etom geometrich. tolshina sloya okazyvaetsya sushestvenno bol'she dlya nepreryvnogo spektra, chem dlya linii. Drugimi slovami, izluchenie v nepreryvnom spektre vyhodit iz b'ol'shih glubin i sootvetstvuet bol'shei effektivnoi temp-re, chem v linii.

V nedrah zvezd veshestvo i izluchenie nahodyatsya prakticheski v termodinamicheskom ravnovesii, t.k. ottok energii naruzhu mal po sravneniyu s polnym kolichestvom luchistoi energii, ispuskaemoi i pogloshaemoi veshestvom zvezdy. Vo vnesh. sloyah vyhod izlucheniya stanovitsya sushestvennym. Izluchenie, vyhodyashee iz sloya $\Delta\tau\sim 1$ , fakticheski ne yavl. chernotel'nym, no v pervom priblizhenii mozhno polagat' $\alpha_\nu=$ const, t.e. ono predstavlyaet soboi izluchenie serogo tela s nek-roi effektivnoi temp-roi.

Vo mnogih astrofizicheskih ob'ektah pervostepennuyu rol' igrayut mehanizmy neteplovogo izlucheniya, v chastnosti sinhrotronnoe izluchenie i obratnyi effekt Komptona (sm. Komptonovskoe rasseyanie).

(L.A. Vainshtein, S.A. Kaplan)

L. A. Vainshtein, S. A. Kaplan, "Fizika Kosmosa", 1986
Glossarii Astronet.ru

A | B | V | G | D | Z | I | K | L | M | N | O | P | R | S | T | U | F | H | C | Ch | Sh | E | Ya

Obsudit' etu publikaciyu

Versiya dlya pechati

Teplovoe izluchenie

Chernotel'noe izluchenie.

Izluchenie opticheski tonkoi plazmy ().

Izluchenie opticheski tolstoi plazmy ().

Izluchenie opticheski tonkoi plazmy ( $\tau\ll 1$ ).

Izluchenie opticheski tolstoi plazmy ( $\tau > 1$ ).