Астронет> Теплове випромінювання

1. Чернотельное випромінювання.
2. Випромінювання оптично тонкої плазми ( ).
3. Випромінювання оптично товстої плазми ( ).

- електромагнітного магн. випромінювання, що генерується за рахунок енергії теплового руху частинок випромінює тіла. Т.і. тел задовольняє осн. закону Кірхгофа - відношення випромінюючої здатності тіла до його поглинання є універсальна функція температури, яка не залежить від фіз. і геометричний. структури тіла. Т.і. в основному генерується електронами. Характерною особливістю Т.І. явл. експонентний спад інтенсивності на високих частотах :
. (1)

Чернотельное випромінювання.

Важливим окремим випадком Т.І. явл. випромінювання абсолютно чорного тіла (Чернотельное випромінювання), для к-якого коеф. поглинання на всіх частотах. Інтенсивність такого випромінювання визначається Планка законом випромінювання :
. (2)
при це вираз переходить в ф-лу Вина: , А при - в Релея-Джинса закон випромінювання . Якщо коеф. поглинання тіла , Але не залежить від частоти, то інтенсивність випромінювання дорівнює , Де постійна a. Цей випадок зв. випромінювання сірого тіла.

Якщо джерелом випромінювання явл. плазма, в якій електрони і важкі частинки (атоми, іони) характеризуються різною температурою , То в ф-ле (2) під T треба розуміти електронну температуру .

У разі неоднорідного джерела виходить з нього випромінювання явл. інтегралом (сумою) по областям з різними темп-рами. Зазвичай у вузькій спектральній області таке випромінювання можна описати ф-лій (2) з деякою ефективною температурою.

Спектр чернотельного випромінювання не залежить від хім. складу тіла і від природи фіз. процесів в іщлучающем обсязі. Більш того, це випромінювання залежить не від обсягу тіла, а лише від величини його поверхні. Чернотельное випромінювання має місце при термодинамічній рівновазі випромінювання з речовиною. Для рівноваги необхідно, щоб повна система - речовина і випромінювання - була замкнута, тобто вихід випромінювання повинен складати дуже малу частину від його кількості в обсязі системи. Це можливо лише в тому випадку, коли фотон встигає багаторазово поглине і переізлучітсья, перш ніж досягне поверхні тіла, тобто на будь-якій частоті . Тут l - характерний розмір тіла, - коеф. поглинання на од. довжини; величина наз. оптич. глибиною ( оптичної товщею ) Тіла (на частоті ). оскільки пропорційний щільності або квадрату щільності, умова виконується при дуже великій щільності або розмірах випромінюючих тел.

Спектр Т.І. навіть однорідного оптично товстого ( ) Шару плазми може істотно отлічатсья від чернотельного, якщо в перенесенні випромінювання істотну роль грає розсіювання випромінювання, тому що в цьому випадку фотонам з різною енергією відповідає різна ймовірність виходу з шару.

Випромінювання оптично тонкої плазми ( ).

Іншим граничним випадком Т.І. явл. випромінювання плазми, вещещство к-рій знаходиться прибл. в термодинамич. рівновазі, але випромінювання вільно з неї виходить. Це відповідає оптично тонкої ( ) Плазмі в локальному термодинамич. рівновазі (ЛТР). На відміну від чернотельного випромінювання інтенсивність і спектр випромінювання оптично тонкої плазми істотно залежить від її складу і іонізації. стану, а також від ймовірностей (перетинів) конкретних процесів генерації випромінювання. При ЛТР розподіл електронів і ін. Частинок описується Максвелла розподілом , А розподіл атомів і іонів за порушеними станів ікратностям іонізації - Больцмана розподілом і Саха формулою . Т.і. крім безперервного спектра включає спектральні лінії (Див. також лінійчатим випромінювання ).

Загальним св-вом будь-якого механізму Т.І. явл. експонентний спад на високих частотах (ф-ла 1). Однак множник перед експонентою для різних механізмів істотно різний. Безперервний спектр Т.І. оптично тонкої гарячої плазми обумовлений гл. обр. гальмівним випромінюванням і фоторекомбінаціей (див. рекомбінація ) Електронів на покладе. іони. У холодній плазмі при kT E в поле іона випускає випромінювання (в інтервалі енергій фотонів від 0 до E), інтенсивність догрого не залежить від частоти. З урахуванням максвеллівський розподілу по енергіях інтенсивність гальмівного випромінювання на іони з зарядом Z з од. обсягу плазми з температурою T в інтервалі 1 Гц і од. тілесного кута:
,
, (3)
де - перший борівський радіус, еВ - енергія іонізації атома водню (постійна Рідберга), - постійна тонкої структури.

При фоторекомбінаціі на n -й рівень позитивного іона випускається фотон з енергією , де - енергія рівня (відрахувати від кордону іонізації). при інтенсивність убуває як . Т.ч., спектр рекомбінації. випромінювання являє собою сукупність "зубців", кожен з яких брало має різкий край і примикає до кордону відповідної спектральної серії лінійного спектра. Імовірність рекомбінації на n -й рівень (тобто висота зубця) з ростом n убуває (~ 1 / n), зубці згущуються і, нарешті, зливаються.

Сумарна інтенсивність гальмівного і рекомбінації. випромінювання електронів з температурою T на іони з зарядом Z в наближенні Крамерса дається ф-лій:
. (4)
Тут сума береться за рівнями n іона із зарядом Z-1, для яких брало ; фактор Q = 1 для збуджених рівнів і для осн. стану атомів з одним електроном на незаповненою оболонці, а для інших залежить від числа електронів і електронної конфігурації. при в починає давати внесок новий рівень - з'являється зубець, висота догрого . З ростом темп-ри зубці згладжуються і, взагалі, роль рекомбінації. випромінювання падає. Але при цьому може "включатися" рекомбінація на іони з більш високим значенням Z.

У космич. плазмі безперервний спектр включає гальмівне і рекомбінації. випромінювання на іони різних елементів. Гальмівне випромінювання пов'язане тільки з іонами H + і He2 +, внесок важчих елементів малий. Рекомбінації. випромінювання на важких елементах може бути істотним, якщо kTZ, a, де IZ, a - енергія іонізації іона Z елемента a.

До Т.І. оптично тонкої плазми в ЛТР відносяться оптич. випромінювання і радіовипромінювання корон Сонця і зірок, міжзоряного газу в областях HI і HII, оскільки воно обумовлено тепловими електронами.

Випромінювання оптично товстої плазми ( ).

Зі збільшенням оптич. товщі випромінює обсягу відбувається перехід від випромінювання оптично тонкої плазми в ЛТР до чернотельному випромінювання. При цьому відбувається свого роду насичення. Інтенсивність випромінювання при перестає рости зі збільшенням щільності і об'єму V (для оптично тонкої плазми інтенсивність безперервного спектра пропорційна , Де Ne - концентрація електронів). Цей перехід відбувається нерівномірно по спектру. Переходи. поглинання в лініях набагато більше, ніж в безперервному спектрі, так що перехід до чернотельному випромінювання починається в лініях. Коли оптич. товща в центрі лінії досягає 1, інтенсивність в цій точці спектра стає близькою до чернотельной при даній темп-ре. При подальшому зростанні інтенсивність в центрі лінії практично не змінюється, але лінія стає ширше (див. крива зростання ). Коли оптич. товща в континуумі наближається до 1, вже настільки велика, що лінія практично зливається з континуумом. при випромінювання у всьому спектрі стає чернотельним.

У реальних умовах, якщо оптич. товща , Випромінювання виходить із шару, оптич. глибина догрого . Характеристики випромінювання (напр., Ефективна темп-ра) є недо-рим середнім по шару. При цьому геометричні. товщина шару виявляється істотно більше для безперервного спектра, ніж для ліній. Іншими словами, випромінювання в безперервному спектрі виходить з б'ольшіх глибин і відповідає більшій ефективної темп-ре, ніж в лінії.

У надрах зірок речовина і випромінювання знаходяться практично в термодинамічній рівновазі, тому що відтік енергії назовні малий у порівнянні з повним кількістю променистої енергії, що випускається і поглинається речовиною зірки. У зовн. шарах вихід випромінювання стає істотним. Випромінювання, що виходить із шару , Практично не явл. чернотельним, але в першому наближенні можна вважати const, тобто воно являє собою випромінювання сірого тіла з деякої ефективної температурою.

У багатьох астрофізичних об'єктах першорядну роль грають механізми нетеплового випромінювання , зокрема синхротронне випромінювання і зворотний ефект Комптона (див. комптонівське розсіювання ).

(Л.А. Вайнштейн, С.А. Каплан)