Потенціали збудження та іонізації атомів

 

Розглянемо основні закономірності поведінки газів у зоряних атмосферах та міжзоряному газові поблизу гарячих зірок, випромінювання яких іонізує оточуючий їх газ. Основною речовиною в цих середовищах є водень. Вивчення вказаних процесів важливе тому, що міжзоряний газ є тією субстанцією, з якої формуються зірки, й їх дослідження немислиме без знання процесів у газі, що випромінює. Потенціал збудження для водню

ℇ_nm = 13,56 (1/n² - 1/m²) (eВ) (2.1)

або

1/λ=(1/n² - 1/m²)1/912Å.

Потенціал збудження через потенціали іонізації: ℇ_nm= χ_m – χ_n

 

Для водню з K - шару :

χ₁=13,56 еВ

В астрофізиці нейтральний атом позначається символом І, однократно іонізований – ІІ, тощо. Приклади: НІ – нейтральний водень; НІІ – іонізований водень.

 

2.2. Іонізаційна рівновага. Формула Саха. Рекомбінація в газі (плазмі)

 

При рекомбінації в іонізованому газі термодинамічна рівновага пов’язана з іонізаційною – розподілом іонів плазми за зарядами. Вона визначається динамічною рівновагою іонізації й рекомбінації та залежить від T, r, інтенсивності зовнішнього опромінення тощо. При великих r й низьких T середовища домінує безвипромінювальна (трьохчасткова) рекомбінація:

X_z+1+2e ®X_z+e (2.2)

де X_z – позначення іона елемента X; z – на одиницю перевищує заряд іона.

Рекомбінація (2.2) йде в щільному міжзоряному газі при осіданні електронів на високі рівні (n≳100). При низьких густинах переважає випромінювальна (двочасткова) рекомбінація (див. нижче).

Іонізація, що породжує двох- та трьохчасткову рекомбінацію, є ударною, якщо немає зовнішнього опромінення газу:

X_z+ e ®X_z+1+2e (2.3)

При високих r без зовнішнього опромінення іонізаційна рівновага зумовлена рівновагою процесів (2.2) й (2.3), що означає локальну термодинамічну рівновагу (ЛТР). При ній кількість переходів n⇄m однакова за 1с, й відношення концентрацій іонів визначається температурою Т і концентрацією електронів N_e.

Це відношення в стані ЛТР визначає ступінь іонізації і дається формулою Саха:

(2.4)

де U_z,U_z+1 – статистичні ваги іонів з z та z+1 з даною енергією E_n (кратність виродження рівня);

m – маса електрона;

X_n – потенціал іонізації для іона X_z з основного стану за схемою (2.3).

Звичайно

~ 1

При z = І (2.4) дає відношення концентрацій нейтральних атомів X₁=XI та перших іонів X₂=XII

(2.5)

Те саме через електронний тиск:

(2.6)

Для водню при іонізації (2.5) дає:

(2.7)

де N_e = N⁺ для водню. Для сонячної атмосфери при T =5700К і повному числі атомів в 1 см³

N=N_н+N⁺=10¹⁶см^-3

виходить N⁺=0,0004N, тобто водень практично не іонізований. В більш високих шарах атмосфери при T ~ 6000К й N = 10¹¹см^-3 ступінь іонізації N⁺/N = 0,2

Для практичних обчислень (2.6) приводиться до вигляду

(2.8)

де U₁ та U₀ – статистичні ваги перших іонів та нейтральних атомів, а χ дається в еВ.

При низьких r термодинамічна рівновага порушується. Нижче корональної межі густини, яка реалізується в сонячній короні, розподіли Больцмана й Саха вже не мають місця (при N_e ~ 10⁸ – 10⁹ см^-3). Частотою (2.2) при такій N_e можна знехтувати. Іонізаційна рівновага визначається рівновагою процесів (2.3) й двочасткової рекомбінації – радіаційної або діелектронної. На відміну від (2.2) та (2.3) це процеси різної природи, тому умови далекі від термодинамічної рівноваги.

Схема двочасткової радіаційної рекомбінації:

X_z+1+e® X_z+γ (2.9)

тобто надлишок енергії вільного електрона уноситься γ - фотоном

(2.10)

де χ_n – енергія зв’язку електрона в атомі для того рівня, на який рекомбінує електрон. Випромінення має неперервний спектр. Збуджені атоми при подальших каскадних переходах на нижчі рівні дають емісійний лінійчатий спектр. Так формується випромінення в зонах HII – світлих туманностях навколо гарячих зірок. Такі об’єкти поширені в місцях зореутворення, в скупченнях міжзоряного газу, в рукавах спіральних галактик. Близько від нас знаходиться Велика Туманність Оріона – саме такий об’єкт. До того ж – знамениті Стожари, та й інші розсіяні зоряні скупчення. Унікальними, вражаючими своїми гігантськими розмірами та потужністю випромінювання є зони НІІ в малих неправильних галактиках типу Магеланових хмар – супутників нашої Галактики.

Діелектронна рекомбінація – захоплення електрона іоном без випромінювання на збуджений рівень, з збудженням одного з електронів іона. Одержаний іон (атом) переходить в звичайний збуджений стан, випромінюючи фотон:

(2.11)

Рекомбінація (2.11) неможлива для водню. Вона відбувається в короні - самій зовнішній частині сонячної атмосфери. Для гелію при Т = 3·10⁵К імовірність (2.11) в 100 разів вища, ніж (2.9).