Часть 2. Спектральный анализ. Методы определения температуры.

Спектральный анализ и спектральные приборы

Излучение может быть:

• тепловое

• нетепловое.

Тепловое излучение – это излучение нагретого тела. Оно происходит:

– при переходе электронов атома с одного энергетического уровня на другой. Это связанно – связанные переходы. Спектр – дискретный.

- при рекомбинации (присоединение свободного электрона к иону). Это свободно – связанные переходы. Спектр – сплошной.

Нетепловое излучение происходит при свободно - свободных переходах.

Его виды:

• синхротронное излучение – излучение релятивистских электронов, движущихся в магнитных полях. Характерная особенность такого излучения – поляризация –электрический вектор перпендикулярен магнитному полю.

• комптоновское рассеяние электромагнитных волн релятивистскими электронами. При столкновении электрон может терять энергию, а фотон увеличивать (обратный Комптон - эффект).

Нетепловое излучение играет важную роль в формировании высокочастотного рентгеновского и γ – излучение.

Появление запрещенных линий указывает на разреженность среды.

Таблица 6. Электромагнитный спектр, используемый в астрофизике.

Анализ электромагнитного излучения различного диапазона позволяет судить о состоянии и процессах во Вселенной. Например: спектры небесных тел.

Спектры самосветящихся небесных тел:

• эмиссионные (спектры излучения) состоят из ярких линий и полос на темном фоне;

• абсорбционные (спектры поглощения) состоят из темных линий и полос на сплошном фоне (спектр Солнца с фрацнгоферовыми линиями).

Каждому химическому элементу свойственны характерные серии линий. Причем серии линий нейтральных атомов отличаются числом линий и их расположением от серий ионов (ионизированных атомов). Также отличаются спектральные полосы нейтральных молекул от полос ионизированных молекул.

Спектр Луны и планет подобен солнечному спектру. Если планета окружена атмосферой, то в спектре появляются дополнительные линии и полосы поглощения, соответствующие химическому составу атмосферы. По спектру определяют и химический состав поверхности планет.

Запрещенные линии – линии в спектрах атомов или молекул, появляющиеся при нарушении правил отбора. Возникают при запрещенных излучательных квантовых переходах из возбужденных местабильных состояний в нормальное. Вероятность таких переходах не равна нулю, но мала, поэтому интенсивность соответствующих линий в обычных условиях мала. Частица с большой вероятностью может потерять энергию при столкновениях.

Запрещенные линии делятся на магнито – дипольные, квадрупольные, магнитоквадрупольные, октупольные и переходы более высоких порядков.

В земной атмосфере при нормальных условиях в 1 см³ находится 2,7 * 10¹⁹ молекул. В космосе во многих областях концентрация частиц значительно меньше: в солнечной атмосфере – 10¹⁶ – 10¹⁷ см^-3; в короне n_е ~ (10⁸ - 10⁹) см^-3; в планетарных туманностях n_е ~ (10² – 10⁶) см^-3. Поэтому запрещенные линии вначале были получены в астрофизике и вначале считались принадлежащими атомам неизвестных химических элементов (короний, небулий, гелий). Оказалось, например, что корональные линии излучаются многократно ионизированными атомами железа, никеля.

Теллурические линии – темные полосы и линии в спектре небесных светил, вызванные поглощением в земной атмосфере. Так как химический состав атмосферы Земли известен, эти линии и полосы легко отождествляются.

Резонансные линии –линии излучения, возникающие при разреженных переходах с наиболее низких возбужденных уровней на основной энергетический уровень атома. Являются наиболее интенсивными и расположены обычно в ультрафиолетовой области.

Рекомбинационные радиолинии – возникают в межзвездной среде при низкой плотности вещества в процессе рекомбинации ионов. При этом могут возникать атомы с высоким уровнем возбуждения. Далее каскадный переход на уровни с меньшей энергией.

Разность энергии между этими уровнями мала, испускаются фотоны радиодиапазона. Интенсивность таких линий очень мала и требует для наблюдения высокочувствительных приборов: радиометры и крупные радиотелескопы.

Линия ν = 1420,4 МГц, λ = 21,11 см. Это линия атома водорода, находящегося в основном состоянии. Возникает при переориентации спинов протона и электрона. Это переход из состояния А (спины параллельны) в состояние В (спины антипараллельны).

Разность энергий 6 * 10^-6 эВ. Время жизни состояния А около 11 млн. лет. В течении этого времени спин электрона может спонтанно перевернуться, атом перейдет в состояние В с излучением. Излучение линии 21,11 см (радиолиния) дает информацию в изучении строения Галактике и вещества в самых холодных областях космического пространства.